机载激光雷达数据滤波方法研究

论文摘要

机载激光雷达测量技术为用户提供了一种方便、可靠且经济的数据采集方式,已应用于多个行业,但数据后处理算法方面的研究还处于起步阶段。滤波是数据后处理过程中最基本的环节,其结果直接影响所生成数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)的质量。如何实现由机载激光雷达数据快速、准确地提取出地形数据是当前急需解决的问题。本文的主要内容包括以下几个方面：1.系统阐述了机载激光雷达的硬件组成、激光测距原理、特点和主要应用领域。推导了激光点的三维坐标公式,对该技术的发展趋势进行了展望。2.详细分析了其特点、数据组织方式。激光雷达数据不仅包含点的三维坐标,还包括强度、回波、扫描角度和颜色值等信息。讨论了激光雷达数据工业标准格式——LAS格式。3.论述了机载激光雷达数据滤波的概念及原理,重点研究了国内外几种滤波算法,并总结了算法的优缺点,探讨了离散激光点生成规则格网数字高程模型的方法并进行了插值实验。4.在深入研究三角网迭代加密滤波算法的基础上,本文针对数据处理过程中出现的问题提出了一种改良方法。在滤波处理前先剔除错误点,以降低其对后续算法的影响,提出了根据三角形坡度建立自适应阈值函数的方法。此外,改进了移动曲面拟合滤波算法,判断种子点是否共线且每次加入与拟合面距离最近的点。通过实验验证了改进算法的可行性,并对数据处理结果进行定量和定性分析。总结了影响数据滤波后质量的主要因素,并讨论了数据分辨率对滤波结果的影响。研究表明：本文给出的改进算法能够有效地处理激光雷达数据,剔除错误点和近地点并得到数字高程模型数据,且第Ⅱ类误差、总误差相对减小,提高了滤波结果的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 研究内容与目的
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 机载激光扫描技术体系
• 2.1 机载激光雷达技术的发展史
• 2.2 机载激光雷达系统的组成
• 2.3 机载激光雷达对地定位原理
• 2.4 机载激光雷达技术的特点及优势
• 2.5 主要应用领域
• 2.6 发展趋势及展望
• 2.6.1 制定相应的行业规范与标准
• 2.6.2 研制全波段记录功能的激光扫描仪
• 2.6.3 研制自主知识产权的LIDAR系统硬件
• 2.6.4 融合多源数据处理LIDAR数据
• 2.6.5 研发数据后处理软件
• 2.7 本章小结
• 第3章 LIDAR数据分析
• 3.1 LIDAR数据特点
• 3.2 数据组织方式
• 3.3 LIDAR数据所包含的信息
• 3.4 LAS格式标准
• 3.5 本章小结
• 第4章 机载激光雷达数据滤波算法
• 4.1 滤波的概念
• 4.2 滤波原理
• 4.3 滤波方法回顾
• 4.3.1 简单滤波算法
• 4.3.2 基于坡度的滤波算法
• 4.3.3 三角网迭代加密滤波算法
• 4.3.4 移动曲面拟合滤波算法
• 4.3.5 滤波算法比较与分析
• 4.4 改进的三角网迭代加密滤波算法
• 4.4.1 不规则三角网
• 4.4.2 数据预处理
• 4.4.3 数据分块
• 4.4.4 建立初始三角网
• 4.4.5 点定位
• 4.4.6 计算点到面的距离
• 4.4.7 角度计算
• 4.4.8 三角面坡度计算
• 4.4.9 空外接圆判断
• 4.4.10 局部优化
• 4.5 改进的移动曲面拟合滤波算法
• 4.6 建立规则格网DEM
• 4.6.1 反距离加权插值
• 4.6.2 移动曲面拟合
• 4.6.3 最邻近点插值
• 4.6.4 TIN线性插值
• 4.7 本章小结
• 第5章 滤波实验及分析
• 5.1 软硬件环境
• 5.2 典型地形滤波实验
• 5.3 滤波性能评价与分析
• 5.3.1 定性分析
• 5.3.2 定量分析
• 5.3.3 可视化分析
• 5.4 数据分辨率对滤波结果的影响
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 1 研究总结
• 2 待解决问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文