机载LiDAR航带重叠消冗方法和系统、介质、设备技术方案

本发明专利技术公开了一种机载LiDAR航带重叠消冗方法和系统，其中方法包括：1、对点云数据栅格化，得到多个格网；每个点均初始化为非冗余点；2、根据点数据GPS时间的差，判断每个格网是否存在航带重叠和冗余；3、对于有航带重叠和冗余的格网G根据扫描角分布进行初步消冗，将格网分为重叠已消冗集合和重叠待消冗集合：4、对重叠待消冗集合S

【技术实现步骤摘要】
机载LiDAR航带重叠消冗方法和系统、介质、设备


[0001]本专利技术属于航空测绘
，具体涉及一种机载LiDAR航带重叠消冗方法。

技术介绍

[0002]机载LiDAR现已成为大范围陆地测绘的主要手段之一。在机载LiDAR测绘时，一般按照预先规划的航线对测区进行飞行和扫描，相邻航线在水平面上的投影大体平行。为了进行LiDAR的检校和配准，还需要设计井字形的航线，航线之间平行或垂直。单条航线获取的点云数据称为一条航带。为了确保对测区的无缝覆盖和辅助航带间配准，相邻两条航带之间一般需要有20％～60％的重叠区域，即对测区内的部分区域，存在重复测量，获得了冗余数据。如图1所示，中灰色为航带A和航带B的重叠部分，黑色虚线为重叠部分中心线，飞机按箭头方向沿实线飞行；渐变灰度条代表扫描角，黑色部分，即灰度较小的代表扫描角值较小，白色部分，即灰度较大的代表扫描角值较大。国家标准《CH/T 3014
‑
2014数字表面模型机载激光雷达测量技术规程》规定，为了减少航带重叠区冗余数据对后期数据处理的影响，参照航迹文件，宜滤除航带重叠区的冗余数据，并将冗余数据存放在航带重叠点类中。在机载LiDAR数据处理领域最常用的软件之一Terrasolid提供了在航迹信息辅助下的航带消冗功能。
[0003]虽然国家标准CH/T 3014
‑
2014规定需要使用航迹文件进行消冗，但是，在特定情况下，可能缺失航迹文件或航迹文件并不能支撑航带消冗。例如，时间有多种记录格式，如果航迹文件的时间记录格式和LiDAR的时间记录格式不一致，可能会使得点云中的点不能匹配到准确的GPS时间和位置，进而导致不能为点云划分航带和消冗。GPS时间常采用周/秒的形式进行记录，并且每周清零重置。这带来的一个问题是如果多次航测的时间间隔为单个或多个星期，则航迹文件内的GPS时间可能发生混淆。此外，即使有航迹信息，Terrasolid对航带井字交叉的检校区域的去冗效果也不佳。因此，研究如何在无航迹信息辅助的情况下对航带重叠区消冗，对LiDAR内业生产具有明显的意义。
[0004]现有多种不依赖航迹信息的航带消冗方法，但均存在各自的问题。基于数据密度的消冗方法较为盲目，随机性强，容易产生类似补丁的效果。例如，在一个格网内是A航带的数据，在相邻格网内却全都是B航带的数据。但是在理论上，越临近的格网，其保留的航带越可能相同。彭检贵等在论文《一种去除机载LiDAR航带重叠区冗余点云的方法》中提出一种无需航线信息的数据消冗算法，建立点云GPS时间信息直方图判别出点云所属航带，然后求取相邻航带重叠部分的外包及外包的中线，最后判断格网化点云与外包中线的关系实现数据消冗。该方法求取重叠区外包及其中线的方式过于粗略，难以描述大多数测区的航带重叠区及分界线，对飞行方向不平行于X或Y轴的航带可能效果不佳。邹长江等在论文《机载LiDAR点云时间纹理信息航带重叠区消冗》中提出了基于点云时间纹理信息的航带重叠区消冗方法。该方法最大的问题在于只能适用于摆动扫描镜扫描，而不能用于旋转棱镜扫描等其它扫描方式。王丽英等在论文《机载LiDAR点云冗余数据辨识及消除》给出的消冗方法在划分格网时，其确定格网大小的方法受到多次回波比例的影响，在多次回波发生比例较
高时有可能将格网设的过大，导致空的格网单元出现。此外，判断格网单元内是否有冗余和选择需保留航带的方法不稳健，导致在理应为单条航带的区域混杂其它航带。中国专利文献CN201710058216.7提出的消冗方法是建立在对航带重叠部分进行配准的基础上，计算复杂度非常高，也容易产生补丁现象。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种机载LiDAR航带重叠消冗方法，该方法不依赖航迹信息，能够实现航带重叠消冗。
[0006]技术方案：本专利技术一方面公开了一种机载LiDAR航带重叠消冗方法，包括步骤：
[0007]S1、对点云数据栅格化，格网边长为d
grid
，得到多个格网；每个点均初始化为非冗余点；
[0008]S2、根据点数据的GPS时间差，判断每个格网是否存在航带重叠和冗余；
[0009]S3、对于有航带重叠和冗余的格网G进行初步消冗，包括步骤：
[0010]S3.1、获取格网内点的扫描角并去重，组成集合S
sa
；对S
sa
内的元素基于最小类间距离进行聚类，得到扫描角聚类集合C
sa
；如果C
sa
内元素数目为1，将格网G加入重叠待消冗集合S
tojudge
，跳转至步骤S3.1处理下一有航带重叠和冗余的格网；
[0011]S3.2、如果C
sa
内的元素数目大于1，判断其中每个扫描角聚类是否有效：设C
sa
中第l个扫描角聚类为C
sa,l
，l＝1,2,
…
,L，L为C
sa
内元素的个数；计算C
sa,l
的最小扫描角θ
min,l
和最大扫描角θ
max,l
；遍历格网G内的点，扫描角位于区间[θ
min,l
,θ
max,l
]的点构成第一聚类点集合S
line1,l
；如果S
line1,l
的元素数目N
sa,l
小于格网最小点数阈值N
min
，则跳过C
sa,l
，否则将C
sa,l
加入有效扫描角聚类集合C
validsa
；
[0012]S3.3、如果有效扫描角聚类集合C
validsa
的元素数目N
validsa
为0，则令C
validsa
＝C
sa
；
[0013]S3.4、计算C
validsa
内的每个有效扫描角聚类的平均绝对扫描角：设C
validsa
中第m个有效扫描角聚类为C
validsa,m
，m＝1,2,
…
,M，M为C
validsa
内元素的个数；C
validsa,m
对应的第一聚类点集合为S
line1,m
，计算构成S
line1,m
的点的平均绝对扫描角的点的平均绝对扫描角其中||为计算绝对值符号，N
sa,m
为S
line1,m
的元素个数，θ
m,i
为S
line1,m
中第i个点的扫描角；
[0014]S3.5、获取C
validsa
内平均绝对扫描角最小的扫描角聚类C
minθ
，根据C
minθ
内元素的最小值θ
′
min
和最大值θ
′
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机载LiDAR航带重叠消冗方法，其特征在于，包括步骤：S1、对点云数据栅格化，格网边长为d
grid
，得到多个格网；每个点均初始化为非冗余点；S2、根据点数据的GPS时间差，判断每个格网是否存在航带重叠和冗余；S3、对于有航带重叠和冗余的格网G进行初步消冗，包括步骤：S3.1、获取格网内点的扫描角并去重，组成集合S
sa
；对S
sa
内的元素基于最小类间距离进行聚类，得到扫描角聚类集合C
sa
；如果C
sa
内元素数目为1，将格网G加入重叠待消冗集合S
tojudge
，跳转至步骤S3.1处理下一有航带重叠和冗余的格网；S3.2、如果C
sa
内的元素数目大于1，判断其中每个扫描角聚类是否有效：设C
sa
中第l个扫描角聚类为C
sa,l
，l＝1,2,
…
,L，L为C
sa
内元素的个数；计算C
sa,l
的最小扫描角θ
min,l
和最大扫描角θ
max,l
；遍历格网G内的点，扫描角位于区间[θ
min,l
,θ
max,l
]的点构成第一聚类点集合S
line1,l
；如果S
line1,l
的元素数目N
sa,l
小于格网最小点数阈值N
min
，则跳过C
sa,l
，否则将C
sa,l
加入有效扫描角聚类集合C
validsa
；S3.3、如果有效扫描角聚类集合C
validsa
的元素数目N
validsa
为0，则令C
validsa
＝C
sa
；S3.4、计算C
validsa
内的每个有效扫描角聚类的平均绝对扫描角：设C
validsa
中第m个有效扫描角聚类为C
validsa,m
，m＝1,2,
…
,M，M为C
validsa
内元素的个数；C
validsa,m
对应的第一聚类点集合为S
line1,m
，计算构成S
line1,m
的点的平均绝对扫描角的点的平均绝对扫描角其中||为计算绝对值符号，N
sa,m
为S
line1,m
的元素个数，θ
m,i
为S
line1,m
中第i个点的扫描角；S3.5、获取C
validsa
内平均绝对扫描角最小的扫描角聚类C
minθ
，根据C
minθ
内元素的最小值θ
′
min
和最大值θ
′
max
初步筛选出格网内的冗余点；S3.6、对格网内的非冗余点，根据最小GPS时间和最大GPS时间之间的差判断C
minθ
是否对应单条航带；如果C
minθ
对应单条航带，将当前格网G加入重叠已消冗集合S
judge
，否则将当前格网G加入重叠待消冗集合S
tojudge
；S4、对重叠待消冗集合S
tojudge
内的格网进行消冗：S4.1、对重叠已消冗集合S
judge
内的格网，根据中心点XY坐标构建二维索引；S4.2、遍历重叠待消冗集合S
tojudge
内的格网，设当前格网为G
tojudge
，将G
tojudge
内所有非冗余点的GPS时间去重后组成集合S
gps
，对S
gps
内的元素基于最小类间距离聚类，得到GPS时间聚类集合C
gps
；S4.3、如果C
gps
内的元素数目大于1，判断其中每个GPS时间聚类是否有效：设C
gps
中第n个GPS时间聚类为C
gps,n
，n＝1,2,
…
,N，N为C
gps
内元素的个数；计算C
gps,n
的最小GPS时间T
min,n
和最大GPS时间T
max,n
；遍历格网G
tojudge
内的点，GPS时间位于区间[T
min,n
,T
max,n
]内的点构成第二聚类点集合S
line2,n
；如果S
line2,n
的元素数目N
gps,n
小于格网最小点数阈值N
min
，则从C
gps
中删除C
gps,n
；S4.4、利用步骤S4.1中构建的二维索引搜索S
judge
中距离G
tojudge
中心点最近的格网G
judge
；计算格网G
judge
内非冗余点的平均GPS时间T
mean
；S4.5、计算C
gps
中每个GPS时间聚类的平均GPS时间：设C
gps
中第p个GPS时间聚类为C
gps,p
，p＝1,2,
…
,P，P为S4.3处理后C
gps
内元素的个数；计算C
gps,p
对应的第二聚类点集合S
line2,p
的
点的平均GPS时间其中N
gps,p
为S
line2,p
的元素数目，T
p,j
为S
line2,p
中第j个点的GPS时间；S4.6、在GPS时间聚类集合C
gps
中搜索平均GPS时间与T
mean
差距最小的GPS时间聚类C
minTdif
；遍历当前格网G
tojudge
内的点，GPS时间位于区间内的点标记为非冗余点，位于区间外的点标记为冗余点；分别为C
minTdif
内元素的最小值和最大值；S4.7、重复步骤S4.2至S4.6，直到重叠待消冗集合S
tojudge
内的格网均被处理过。2.根据权利要求1所述的机载LiDAR航带重叠消冗方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：对每个格网，遍历位于其内的所有点，查找最小GPS时间T
min
和最大GPS时间T
max
，计算GPS时间差ΔT＝T
max
‑
T
min
；如果ΔT小于等于同航带最大时间差阈值ΔT
thre
，认为对应格网内的点均来自同一条航带，不存在航带重叠和冗余，否则认为对应格网存在航带重叠和冗余。3.根据权利要求1所述的机载LiDAR航带重叠消冗方法，其特征在于，所述步骤S3.1中对S
sa
内的元素基于最小类间距离进行聚类，得到扫描角聚类集合C
sa
的具体步骤为：A1、对S
sa
内的元素进行排序，构成数组A；A2、新建聚类c1作为当前聚类，取A中第1个元素A1加入c1；A3、对A从第2个元素开始遍历，设当前遍历到第u个元素A
u
，当前聚类为c
v
，v≥1；如果则将A
u
加入c
v
；否则将c
v
加入扫描角聚类集合C
sa
，再新建聚类c
v+1
，将A
u
加入c
v+1
，c
v+1
作为当前聚类；其中为c
v
中最新加入的元素，Δa为预设的非负差异阈值；重复执行步骤A3，直至遍历完A中所有元素；A4、将当前聚类加入扫描角聚类集合C
sa
。4.根据权利要求1所述的机载LiDAR航带重叠消冗方法，其特征在于，所述步骤S3.5具体为：遍历当前格网G内的点，扫描角位于区间[θ
′
min
,θ
′
max
]外的点标记为冗余点。5.根据权利要求1所述的机载LiDAR航带重叠消冗方法，其特征在于，所述步骤S3.6具体为：计算格网内非冗余点的最小GPS时间T
′
min
和最大GPS时间T
′
max
，得到GPS时间差ΔT
′
＝Tv
max
‑
T
′
min
；如果ΔT
′
小于等于同航带最大时间差阈值ΔT
thre
，认为C
m...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓光，王韧，赵梓言，徐炜，刘嘉豪，闫文卿，董南，
申请(专利权)人：飞燕航空遥感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：