地球信息科学学报 ›› 2019, Vol. 21 ›› Issue (12): 1945-1954.doi: 10.12082/dqxxkx.2019.190152
收稿日期:
2019-02-15
修回日期:
2019-07-22
出版日期:
2019-12-25
发布日期:
2019-12-25
作者简介:
王丽英(1982-),女,河北石家庄人,博士,教授,主要从事激光雷达数据处理及应用研究。E-mail: wangliyinglntu@163.com
基金资助:
WANG Liying*(), WANG Sheng, LI Yu
Received:
2019-02-15
Revised:
2019-07-22
Online:
2019-12-25
Published:
2019-12-25
Contact:
WANG Liying
Supported by:
摘要:
针对现有基于二值体元基元的机载LiDAR三维(3 Dimensional, 3D)滤波算法仅利用了数据的高程特征、无法区分相连的地面和非地面目标的问题,提出了一种基于强度体元基元的机载LiDAR 3D滤波算法。首先,基于计算几何理论,将机载LiDAR数据规则化为强度(体元内激光点的量化平均反射强度值)体元结构。然后,基于3D连通区域构建理论,选取局部高程最低的非0值体元为地面种子进而搜寻并标记与地面种子,空间连通、反射强度及坡度值均接近的连通区域内体元为地面体元。算法综合利用LiDAR数据的高程、反射强度及坡度特征,支持相连但强度不同的地面和非地面目标的区分,为相连的地面和非地面目标的精确区分提供更有效的信息。算法有助于提高滤波精度,并扩展基于体元基元的3D滤波算法适用于更复杂的场景。实验基于ISPRS提供的专门用于滤波算法测试的LiDAR点云数据测试了“空间邻域尺度”参数的敏感性及提出算法的精度。定量评价的结果表明:51邻域为最佳邻域尺度;提出算法的平均Kappa系数在相对平坦、陡坡及不连续地形分别为0.9380、0.7749和0.6866;从总误差测度来看,提出算法对比经典的Axelsson算法改进了15个样本中的7个样本精度,且其对比其他二值体元基元下的滤波算法平均总误差最低。
王丽英, 王圣, 李玉. 强度体元基元下的机载LiDAR 3D滤波[J]. 地球信息科学学报, 2019, 21(12): 1945-1954.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.190152
WANG Liying, WANG Sheng, LI Yu. Airborne LiDAR 3D Filtering based on Intensity Voxel Primitive[J]. Journal of Geo-information Science, 2019, 21(12): 1945-1954.DOI:10.12082/dqxxkx.2019.190152
表1
测试数据集特征
样本 | 特征 | 点数/个 | 密度/点/m-2 | 地形特征 |
---|---|---|---|---|
Samp11 | 城区 | 38 010 | 1.066 | 陡坡上混合有植被和建筑物 |
Samp12 | 城区 | 52 119 | 1.036 | 小物体(车辆等)、混合植被和建筑物 |
Samp21 | 城区 | 12 960 | 1.096 | 狭窄的桥梁、植被 |
Samp22 | 城区 | 32 706 | 1.039 | 桥梁(西南方向)、通道(东北方向) |
Samp23 | 城区 | 25 095 | 1.198 | 大的不规则形状的建筑物 |
Samp24 | 城区 | 7492 | 1.172 | 斜坡 |
Samp31 | 城区 | 28 862 | 0.976 | 复杂屋顶、高低混合地物 |
Samp41 | 城区 | 11 231 | 1.553 | 大的数据空洞、不规则建筑物 |
Samp42 | 城区 | 42 470 | 1.084 | 铁路、高频率的地形起伏 |
Samp51 | 山区 | 17 845 | 5.509 | 斜坡、密集植被 |
Samp52 | 山区 | 22 474 | 5.984 | 断层、矮小植被 |
Samp53 | 山区 | 34 378 | 5.689 | 间断的陡峭地形 |
Samp54 | 山区 | 8608 | 5.758 | 地形表面有密集覆盖物 |
Samp61 | 山区 | 35 060 | 6.382 | 不连续的陡坡、山脊、沟渠 |
Samp71 | 山区 | 15 645 | 5.403 | 间断地形、地下通道 |
表2
不同空间邻域尺寸的滤波算法的Kappa系数
样本 | Kappa系数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
6邻域 | 18邻域 | 26邻域 | 56邻域 | 64邻域 | 51邻域 | |
城区 Samp11 | 0.4271 | 0.5110 | 0.5303 | 0.6495 | 0.6551 | 0.6729 |
Samp12 | 0.8779 | 0.9042 | 0.9059 | 0.9232 | 0.9228 | 0.9232 |
Samp21 | 0.9303 | 0.9494 | 0.9485 | 0.9473 | 0.9462 | 0.9538 |
Samp22 | 0.7958 | 0.8375 | 0.8624 | 0.9062 | 0.9026 | 0.9064 |
Samp23 | 0.8499 | 0.8855 | 0.8880 | 0.9144 | 0.9148 | 0.9188 |
Samp24 | 0.7274 | 0.8006 | 0.8143 | 0.8643 | 0.8612 | 0.8892 |
Samp31 | 0.9544 | 0.9624 | 0.9646 | 0.9701 | 0.9694 | 0.9718 |
Samp41 | 0.9040 | 0.9386 | 0.9398 | 0.9389 | 0.9389 | 0.9409 |
Samp42 | 0.9571 | 0.9771 | 0.9775 | 0.9790 | 0.9789 | 0.9806 |
山区 Samp51 | 0.7763 | 0.7937 | 0.7911 | 0.7670 | 0.7647 | 0.7751 |
Samp52 | 0.2107 | 0.4741 | 0.6038 | 0.7606 | 0.7607 | 0.7623 |
Samp53 | 0.3138 | 0.4430 | 0.4977 | 0.5049 | 0.5000 | 0.5162 |
Samp54 | 0.8626 | 0.9020 | 0.9062 | 0.9065 | 0.9058 | 0.9086 |
Samp61 | 0.5342 | 0.6877 | 0.7337 | 0.7564 | 0.7485 | 0.7648 |
Samp71 | 0.6652 | 0.7263 | 0.7417 | 0.6917 | 0.6942 | 0.7787 |
平均 | 0.7191 | 0.7862 | 0.8070 | 0.8320 | 0.8309 | 0.8442 |
表4
算法误差和Kappa系数
样本 | Ie | IIe | Te | Kappa系数 |
---|---|---|---|---|
Samp11 | 0.1546 | 0.1693 | 0.1609 | 0.6729 |
Samp12 | 0.0410 | 0.0356 | 0.0384 | 0.9232 |
Samp21 | 0.0107 | 0.0344 | 0.0160 | 0.9538 |
Samp22 | 0.0363 | 0.0450 | 0.0405 | 0.9064 |
Samp23 | 0.0246 | 0.0580 | 0.0404 | 0.9188 |
Samp24 | 0.0250 | 0.0933 | 0.0438 | 0.8892 |
Samp31 | 0.0094 | 0.0194 | 0.0140 | 0.9718 |
Samp41 | 0.0211 | 0.0380 | 0.0296 | 0.9409 |
Samp42 | 0.0123 | 0.0063 | 0.0080 | 0.9806 |
Samp51 | 0.0398 | 0.2016 | 0.0751 | 0.7751 |
Samp52 | 0.0113 | 0.2921 | 0.0409 | 0.7623 |
Samp53 | 0.0133 | 0.5212 | 0.0338 | 0.5162 |
Samp54 | 0.0158 | 0.0714 | 0.0457 | 0.9086 |
Samp61 | 0.0026 | 0.3253 | 0.0137 | 0.7648 |
Samp71 | 0.0221 | 0.2124 | 0.0437 | 0.7787 |
平均 | 0.0293 | 0.1416 | 0.0430 | 0.8442 |
表5
本文算法与经典滤波算法总误差比较
样本 | Axelsson[ | Wang等[ | 王丽英等[ | 本文算法 |
---|---|---|---|---|
Samp11 | 0.1076 | 0.1949 | 0.1862 | 0.1609 |
Samp12 | 0.0325 | 0.0402 | 0.0487 | 0.0384 |
Samp21 | 0.0425 | 0.0205 | 0.0174 | 0.016 |
Samp22 | 0.0363 | 0.0497 | 0.0460 | 0.0405 |
Samp23 | 0.0400 | 0.0591 | 0.0504 | 0.0404 |
Samp24 | 0.0442 | 0.0634 | 0.0623 | 0.0438 |
Samp31 | 0.0478 | 0.0158 | 0.0203 | 0.0140 |
Samp41 | 0.1391 | 0.0217 | 0.0209 | 0.0296 |
Samp42 | 0.0162 | 0.0107 | 0.0098 | 0.0080 |
Samp51 | 0.0272 | 0.0809 | 0.0818 | 0.0751 |
Samp52 | 0.0307 | 0.0490 | 0.0424 | 0.0409 |
Samp53 | 0.0891 | 0.0346 | 0.0453 | 0.0338 |
Samp54 | 0.0332 | 0.0562 | 0.0508 | 0.0457 |
Samp61 | 0.0208 | 0.0193 | 0.0231 | 0.0137 |
Samp71 | 0.0163 | 0.0542 | 0.0614 | 0.0437 |
平均 | 0.0482 | 0.0513 | 0.0511 | 0.0430 |
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