基于Lidar数据和航空影像的滩涂海岸主要特征提取方法研究

【类型】学位论文

【作者】李伟华 

【关键词】 Lidar数据 大地测量 地形模型 海岛调查 航空影像 特征提取 图像处理

【摘要】滩涂、海岸带、海岛属于特殊的测量区域,该区域的特殊性在于难以布置常规大地测量和摄影测量所需的地面控制点,除此以外,这一区域人迹也是难到达的,并易随时间和季节性变化。但这一领域的地理信息资料,测绘成果又是完善我国地理信息数据库所不可或缺的，这些数据也为经济社会的建设起着至关重要的作用。寻找适合该区域的测绘手段,对其进行精确地测绘，已是时代所需。基于激光扫描技术的航空遥感调查能够快速、准确地获取地表高精度、高密度的高程数据，在高精度全球定位系统和惯性测量装置的支持下，无需大量地面控制点，即可生成高精度的数字地形模型，在潮汐修正、海岸带信息提取和分类等方面极具优势，是未来海岸带和海岛调查最具潜力的重要手段。 本文主要研究总结机载Lidar数据处理的理论和方法，航空影像的数字图像处理技术，Lidar数据和航空影像的配准、融合技术以及融合影像数据的Lidar数据一般分类方法，最后探讨了融合影像后的Lidar数据对滩涂海岸主要特征提取的几个关键问题。具体内容如下： 1．从总体上对机载激光雷达系统的组成和工作原理作了介绍，详细阐述其测距原理和解算地面点坐标的过程，分析其测距的误差源，并提出减小误差的方法；对其与传统摄影测量、机载INSAR的各自技术特点进行了比较；介绍了Lidar数据的处理过程、滤波种类和原理并指出其中一些滤波算法的不足。 2 . 对航空影像数字图像处理的关键技术和具体算法进行了探讨，这其中主要是指航空影像的数字化、航空影像的几何纠正，图像变换和图像增强；分析了边界闭合算法-哈夫变换和canny边缘检测算子的原理。 3. 阐述了Lidar数据和航空影像的粗配准原理，Lidar数据和航空影像精配准每一个步骤的具体算法，这其中包括影像特征点的提取，光线与地面快速求交计算地面点坐标，同名点搜索，利用激光地面点修正角元素，空间后交计算影像的外方位元素；介绍了一种利用6元组松弛法自动配准的算法，Lidar数据和航空影像的融合，具体阐述航空影像与Lidar数据生成的规则化DSM（NDSM）的融合过程，证实了融合后的图像增加了光谱、纹理等属性信息，有利于地物的提取。最后对融合航空影像后Lidar数据的一般分类流程进行了阐释。 4. 主要是关于水体点的提取，先用激光的回波次数进行评判，具有双重（多重）回波的点归为一类，具有双重（多重）回波的点归为水体点和植被点。植被有一个激光可以穿透的特性，而植被附近的地面是只有一次回波，也就是说一大片植被绿地既包含了植被也包含了地面，当然也还有其它地物。植被有激光穿透性，其有两次或多次回波，地面只有一次回波，也就是说一大片植被绿地包含一次也包含两次回波的点，具有两次回波的点是不连续的，对于水体它是连续的，凭这一条件可将水体点和植被点区分。水体点对光谱还有另外一个特性：不管是清水还是浊水，它对电磁波的反应特性主要集中在可见光中的蓝绿光波段,对可见光的其它的波段反射很低,在近红外和中红外波段纯净的自然水体反射率很低,几乎为零，所以借助水体对光谱的特性，对水体和植被点进行分类。另外还可以将两种方法同时进行，对有争议的点再结合其它信息进行判断，得到争议点的正确判断。 5.讲述了植被的四种提取方法：对于从滩涂海岸采回来的数据，把探测到有双重或多重回波信号的点归为一类（此在水体点提取时已经做过），水体点提取完以后，剩下的就几乎都是植被点；利用植被对光谱的反射信息可对其进行粗略提取，不同地物对光谱反射值有差异并有明确的界线；也可以利用植被的回波信号强度对植被进行提取，水体点提取完后，剩下的主要为植被点，当然也可能混入了土壤点，这就可利用激光回波强度信息进行提取，泥土和沙石与植被被系统记录的回波强度是有差异的，泥土、沙石回波强度在150-250之间，而植被不管其现状情况均大于250，所以借助此可分离植被与泥土、沙石；也可利用两次回波数据分别生成的DEM，再用前后两次的DEM做高程差，对于植被区域两次获得的高程差异较大，而对于人工与自然地物则差异很小或接近于零，此法也可将植被点分离。 6. 阐述了泥土、沙石的提取方法。泥土、沙石主要利用其连续性原理，遇到高程有突变的，暂定为其它地物点。 7. 通过对一数据进行实验，在和相应航空影像配准、融合后，首先基于地物的高程信息进行分类，得点云分类图。再结合各地物的激光回波强度信息进行分类，将两次分类所得到的点云图进行对比分析，得出了结合激光回波强度信息对滩涂海岸带主要地物进行提取可取得较好效果的结论。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】中国地质大学(武汉)

【学位授予年度】2016

【导师姓名】陈性义

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