申请/专利权人：武汉大学

申请日：2023-09-05

公开（公告）日：2024-06-11

公开（公告）号：CN117347971B

主分类号：G01S7/48

分类号：G01S7/48

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.11#授权;2024.01.23#实质审查的生效;2024.01.05#公开

摘要：本发明公开一种激光雷达建筑物边界估测方法及计算机可读介质，属于激光遥感技术领域。本发明首先根据扩展光斑效应的基本原理，建立了建筑物目标的激光回波信号理论模型；然后通过统计飞越城市或其他包含建筑物目标的区域时的星载单光子激光雷达数据点云密度，计算建筑物目标的实测点云密度曲线；最后结合实测点云密度曲线与回波信号理论模型，基于最小二乘方法在复频域拟合估计建筑物的边界位置，提取对应的光子点云。本发明能准确确定星载单光子激光雷达数据中建筑物边界位置，有效消除星载激光雷达的扩展光斑效应，所提取的建筑物边界点云可作为与其他遥感数据源配准和融合的基本特征点，在城市三维遥感领域具有很大的应用价值和潜力。

主权项：1.一种激光雷达建筑物边界估测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立星载激光雷达接收的激光回波信号功率分布模型，建立描述建筑物几何和反射特征的目标模型，结合互补误差函数构建建筑物目标的激光回波信号理论模型；步骤2：将星载单光子激光雷达飞越城市或其他包含建筑物目标的区域时采集的坐标为沿轨位置和高程的光子点云数据，按照高程间隔、沿轨距离间隔划分为二维网格，统计落在各网格单元内的光子点云个数从而得到每个网格单元的点云密度，通过目标识别算法选取建筑物目标的光子点云沿轨、高程所在的选定区域，对选定区域内网格的每个单元的点云密度在高程方向上进行求和，计算激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值；步骤3：在复频域构建激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值与回波信号理论模型之间的代价函数，通过最小二乘迭代算法得到代价函数最小时的建筑物的边界位置提取对应的光子点云；步骤1所述建立星载激光雷达接收的激光回波信号功率分布模型，具体定义如下：激光接收信号函数表示为地面目标响应函数与发射激光脉冲函数的卷积；发射激光脉冲在空间上服从二维高斯分布，时间分布近似为高斯函数；所述星载激光雷达接收的激光回波信号功率分布模型，具体如下： 其中，Prx,y,t表示构建的星载激光雷达平面坐标系下的地表光斑中心的平面坐标x,y处时间t的接收光学系统接收得到的激光功率，表示卷积运算，Ptt是发射激光脉冲的功率分布，表示为： 其中，t表示激光脉冲的飞行时间，E0表示发射激光脉冲的总能量，σt表示发射脉冲宽度；将星载激光雷达沿卫星飞行方向定义为沿轨方向，将星载激光雷达垂直于卫星飞行方向定义为垂轨方向，通过沿轨方向、垂轨方向构建星载激光雷达平面坐标系下；其中，x,y表示星载激光雷达平面坐标系下的地表光斑中心的平面坐标，x表示星载激光雷达平面坐标系下的地表光斑中心的沿轨方向的坐标，y表示星载激光雷达平面坐标系下的地表光斑中心的垂轨方向的坐标；u,v表示星载激光雷达平面坐标系下的光斑内微面元的平面坐标，u表示星载激光雷达平面坐标系下的光斑内微面元的沿轨方向的坐标，v表示星载激光雷达平面坐标系下的光斑内微面元的垂轨方向的坐标；h表示垂直于星载激光雷达平面坐标系所在的平面并指向天顶的垂直高程，κ0为总衰减系数，表示地面的法向量，表示激光指向向量，σB表示激光束截面参数，等于激光半发散角和卫星飞行高度的乘积，ρu,v,h表示u,v,h处的目标反射率，l表示卫星上的激光参考点与地表光斑内微面元的位置u,v,h的几何距离，如下式所示： 其中，c为大气中的光速，xs,ys,hs表示星载激光雷达平面坐标系下星载激光雷达的激光参考点坐标，xs表示星载激光雷达平面坐标系下星载激光雷达的激光参考点的沿轨方向的坐标，ys表示星载激光雷达平面坐标系下星载激光雷达的激光参考点的垂轨方向的坐标，hs表示星载激光雷达平面坐标系下星载激光雷达的激光参考点的垂直于星载激光雷达平面坐标系的平面并指向天顶的垂直高程；步骤1所述建立描述建筑物几何和反射特征的目标模型，具体定义如下：假设建筑物目标表面具有一致的反射特征，对于近天底入射的激光脉冲，建筑物的反射表面为建筑物顶面，即假设接收光学系统接收的来自建筑物顶面上每一处微面的反射率相同；所述建筑物顶面几何和反射特征的目标模型，具体定义如下：γu,v,t＝γ0δh-Htu,vu,v∈Duv其中，δ·表示狄拉克函数，Duv表示建筑物在地面上的投影范围，γu,v,t对应为S1.1的星载激光雷达接收的激光回波信号功率分布模型中的 对于被激光光斑照射的一个建筑物目标，激光指向矢量建筑物屋顶表面法向量几何距离l、总衰减系数κ0均为常数，使用衰减及反射常系数γ0综合表示建筑物顶面的反射特征；为了描述建筑物目标的空间分布情况，使用三维曲面方程h-Htu,v＝0表示建筑物顶面的几何形状；假设与激光轨迹相交的两条建筑物边界线即Duv的边界分别为规则的直线段l1和规则的直线段l2，x1,y1、x2,y2分别为前述设定的坐标系下l1、l2与激光轨迹的交点，x1和x2分别表示前述设定的平面坐标系下l1、l2与激光轨迹的交点的沿轨方向的坐标，y1和y2分别表示星载激光雷达平面坐标系下l1、l2与激光轨迹的交点的垂轨方向的坐标；在星载激光雷达平面坐标系中y1＝y2＝0，星载激光雷达平面坐标系下l1、l2的直线方程分别表示为：y＝k1x-x1y＝k2x-x2其中，k1和k2分别表示前述设定的平面坐标系下l1、l2的直线方程的斜率；步骤1所述结合互补误差函数构建建筑物目标的激光回波信号理论模型，具体定义如下：在时间轴t上积分得到建筑物目标反射到星载激光雷达接收光学系统的激光能量分布erx,y，表示为： 卫星沿固定轨道飞行，光斑中心坐标x,y的两个元素之间存在映射关系，erx,y简化表示为erx；通过引入互补误差函数erfc·代替垂轨方向的高斯函数积分，进一步得到建筑物目标的激光回波信号理论模型，具体如下： 其中，E0表示发射激光脉冲的总能量，x表示星载激光雷达平面坐标系下地表光斑中心的沿轨方向的坐标，γ0表示衰减及反射常系数，σB表示激光束截面参数，等于激光半发散角和卫星飞行高度的乘积，erfc·表示互补误差函数，表示卷积运算，x1和x2分别表示星载激光雷达平面坐标系下对应建筑物两个边界的准确位置的沿轨方向的坐标；步骤2统计飞越城市或其他包含建筑物目标的区域时的星载单光子激光雷达数据点云密度，具体如下：每个网格单元的点云密度计算公式如下： 其中，dmeam,n表示网格中第m行第n列的单元的点云密度，Lh表示网格划分的高程间隔，Lx表示网格划分的沿轨距离间隔，m,n表示网格中第m行第n列的单元，对应网格中心位置的高程和沿轨距离分别为mLh和nLx，Wh和Wx分别为统计点云密度时使用的窗口在高程和沿轨距离方向上的半宽，hpk和xpk分别表示整段数据中第k个点云所对应的高程和沿轨距离值，ε·表示单位阶跃函数，K表示整段数据的总光子点云数；步骤2所述计算激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值，具体如下： 其中，Dtarg表示自动或人工选取的建筑物目标在沿轨、高程方向上所包含网格单元的集合；建筑物目标激光雷达沿轨实测的累计点云密度曲线smeax与建筑物目标激光雷达理论上沿轨接收的能量分布erx呈线性关系，即：smeax＝C0·erx其中，C0表示建筑物目标未知常系数，smeax表示计算得到的激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值；步骤3所述在复频域构建激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值与回波信号理论模型之间的代价函数，具体如下：将激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值smeax与建筑物目标的激光回波信号理论模型erx在复频域中使用非线性最小二乘法进行拟合和参数估计；激光回波理论模型erx经过离散傅里叶变换得到的频谱为Erω，即其中表示离散傅里叶变换，具体公式如下： 其中，ω表示角频率，j表示复数虚部，E0表示发射激光脉冲的总能量，γ0表示衰减及反射常系数，σB表示激光束截面参数，等于激光半发散角和卫星飞行高度的乘积，erfc·表示互补误差函数，x1和x2分别表示星载激光雷达平面坐标系下对应建筑物两个边界的准确位置的沿轨方向的坐标，复频域中基于最小二乘法得到的代价函数fx1,x2,k1,k2,C如下式所示： 其中，星载激光雷达平面坐标系下建筑物两个边界在星载激光雷达沿轨方向的准确位置x1和x2、建筑物两个边界直线方程的斜率常数k1和k2以及建筑物目标常未知系数C为待估计的未知参数，发射激光脉冲的总能量E0、衰减及反射常系数γ0与建筑物目标常未知系数C0合并为未知常系数C来估计，即C＝C0E0γ0；Smeaω是激光雷达飞越建筑物时光子点云数据的实际测量值smeax经过离散傅里叶变换得到的频谱函数，即ωi表示序列Smeaω中第i个频谱分量所对应的角频率，Smeaωi表示序列Smeaω中第i个频谱分量，I表示序列Smeaω的频谱分量总数的集合；步骤3所述通过最小二乘迭代算法得到代价函数最小时的建筑物的边界位置提取对应的光子点云，具体如下：使用Levenberg-Marquardt法，估计复频域中基于最小二乘法得到的代价函数的极小值点，准确得到建筑物边界在星载激光雷达沿轨方向上的位置参数x1*、x2*的最佳估计结果；光子点云数据包含每个光子点云的沿轨位置和高程，代入位置参数x1*、x2*到光子点云数据中，可以得到对应的建筑高度h1*和h2*。

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百度查询： 武汉大学 一种激光雷达建筑物边界估测方法及计算机可读介质

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