地面激光雷達(dá)點(diǎn)云去噪方法綜述

(成都理工大學(xué)國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 成都 610059)

地面激光雷達(dá)點(diǎn)云去噪方法綜述

蘇中花

(成都理工大學(xué)國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四川成都610059)

激光雷達(dá)為精確獲取樹木生長參數(shù)提供了一種新方法。本文總結(jié)了地面激光雷達(dá)點(diǎn)云去噪方法，主要的方法有手動(dòng)去噪、KD Tree去噪、格網(wǎng)法去噪、統(tǒng)計(jì)分析法去噪和覆蓋集去噪等。

激光雷達(dá)；樹木；點(diǎn)云去噪；覆蓋集去噪

一、引言

激光雷達(dá)探測和(光測距)是一種主動(dòng)遙感技術(shù)，用傳感器發(fā)射的激光測量傳感器和目標(biāo)之間的距離[11]。地面激光掃描(TLS)可以產(chǎn)生高細(xì)節(jié)的小區(qū)域的三維映射，這可以產(chǎn)生稠密的三維點(diǎn)云的表面。圖1為地基激光掃描儀系統(tǒng)。

樹木特征和質(zhì)量屬性的確定和預(yù)測在森林管理中，尤其是在收獲前的測量中起著重要作用。使用地面激光掃描儀在室外掃描活體樹木，可能會(huì)有各種因素會(huì)影響掃描儀掃描結(jié)果的準(zhǔn)確性。最致命的因素是自然界的風(fēng)，使得被掃描樹木擺動(dòng)，會(huì)形成大量散亂無用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些噪聲點(diǎn)直接影響著樹木的建模效果，因此去噪過程顯得尤為重要。

圖1 地基激光掃描儀系統(tǒng)

二、點(diǎn)云去噪

由激光掃描儀所得到的很多空間點(diǎn)的坐標(biāo)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云樣本可能包含由于干擾效應(yīng)等原因引起的離群點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。我們第一步是從點(diǎn)云中濾除一些噪聲，以下是主要的幾種去噪方法：

(一)手動(dòng)去噪

手動(dòng)切割點(diǎn)云數(shù)據(jù)或樹點(diǎn)云數(shù)據(jù)來顯示觀測結(jié)果。通過軟件終端，直接從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選擇點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后通過肉眼直接刪除云數(shù)據(jù)。該方法適用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行樹葉和樹干的切割。非掃描目標(biāo)物體，如建筑物、道路、路標(biāo)等，也可以通過軟件幀選擇的噪聲點(diǎn)手動(dòng)刪除。

(二)KD Tree去噪

離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪是基于KD樹的最常用和有效的方法之一。該方法主要是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)集，通過計(jì)算點(diǎn)與領(lǐng)域散射點(diǎn)間距離的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，設(shè)置閾值，如果領(lǐng)域中某些點(diǎn)的距離不在此區(qū)間，即噪聲點(diǎn)[12]。

(三)格網(wǎng)法去噪

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)掃描過程中將水平角和垂直角增量劃分為規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，中值點(diǎn)由點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的距離得到[14]，通過判斷云數(shù)據(jù)的點(diǎn)和中值之間的距離，確定它小于分辨率，它被認(rèn)為是一個(gè)正常點(diǎn)，否則它被認(rèn)為是一個(gè)噪聲點(diǎn)，需要?jiǎng)h除。

(四)統(tǒng)計(jì)分析法去噪

首先計(jì)算每個(gè)點(diǎn)到其K最近鄰點(diǎn)的平均距離及這些平均距離的均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，然后通過比較每個(gè)點(diǎn)到K個(gè)最近鄰點(diǎn)的平均距離與均值的差是否在標(biāo)準(zhǔn)差的N倍范圍內(nèi)來確定[4]，如果不在該范圍內(nèi)，則認(rèn)為它是一個(gè)噪聲點(diǎn)，需要?jiǎng)h除。

(五)覆蓋集去噪

要?jiǎng)h除單獨(dú)的點(diǎn)或少數(shù)點(diǎn)簇，我們用小球覆蓋點(diǎn)云，剔除只包含少于幾個(gè)小點(diǎn)的球。這個(gè)過濾方案的一個(gè)更全面的版本是為每一點(diǎn)定義一個(gè)小球，然后拒絕那些球包含太少點(diǎn)的點(diǎn)。另一種可能額外的過濾方案，使用較大球的覆蓋物刪除點(diǎn)云的小分離部分來確定點(diǎn)云的連接分量，然后去掉包含太少覆蓋集分量中的點(diǎn)。

三、結(jié)語

本文綜合了各種點(diǎn)云去噪方法，各個(gè)方法都有他的優(yōu)缺點(diǎn)，其中利用覆蓋集去噪，過濾參數(shù)的值及其對生成樹模型的影響取決于噪聲水平及其在數(shù)據(jù)中的分布、樹的幾何形狀等，因此沒有簡單的參數(shù)值選擇規(guī)則。然而，在實(shí)踐中，經(jīng)驗(yàn)引導(dǎo)價(jià)值的選擇相當(dāng)穩(wěn)健。這些影響主要是局部的，通常對參數(shù)值不很敏感，而且相同的參數(shù)值對類似的樹和掃描儀參數(shù)很有效。因此，我們采用不同的方法來處理由不同因素引起的噪聲。

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蘇中花(1990-)，女，漢族，四川廣安，碩士，主要研究方向?yàn)榛诘孛婕す鈷呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)的單木三維建模。