侵蚀沟地面激光扫描与无人机遥感监测技术
作者：李斌兵，冯林，黄磊著
出版时间：2018年版
内容简介
《侵蚀沟地面激光扫描与无人机遥感监测技术》针对实际需求，总结地面激光雷达和无人机技术在黄土高原侵蚀沟监测及水土保持方面的新研究成果。在地面激光雷达应用方面，系统介绍利用地面激光雷达获取侵蚀沟三维点云数据、点云数据的预处理、DEM构建、地形特征提取以及侵蚀泥沙量估算的方法，并通过实例进行验证。在无人机应用方面，介绍图像三维建模的原理与方法，详细阐述无人机监测侵蚀沟过程中的图像获取、外业实施、内业处理、三维模型建立及精度分析的方法，并在野外侵蚀沟监测中进行应用验证与分析讨论。
目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 侵蚀沟监测的目的和意义 1
1.2 侵蚀沟监测的内容和要求 2
1.2.1 侵蚀沟监测的内容 2
1.2.2 侵蚀沟监测的要求 4
1.3 常见侵蚀沟监测技术 4
1.3.1 传统皮尺、坡度计监测与地形剖面测量仪 4
1.3.2 侵蚀针监测 5
1.3.3 遥感监测 5
1.3.4 高精度GPS 监测 8
1.4 地面三维激光扫描技术 9
1.4.1 三维激光扫描技术发展现状 9
1.4.2 地面三维激光扫描技术应用于侵蚀沟监测的几个难点问题 10
1.5 无人机图像三维建模技术 12
1.5.1 无人机图像三维建模技术发展现状 12
1.5.2 无人机图像三维建模技术应用于侵蚀沟监测的几个难点问题 13
参考文献 14
第2章 激光点云数据的获取与预处理 18
2.1 地面激光扫描系统简介 18
2.1.1 激光扫描定位原理 20
2.1.2 激光扫描点坐标精度 21
2.1.3 点云数据的特点 23
2.2 激光点云数据的获取 24
2.2.1 点云采集与处理作业流程 24
2.2.2 实验数据采集 26
2.3 激光点云数据的配准拼接 29
2.3.1 无特征的点云配准拼接原理 29
2.3.2 基于特征的点云配准拼接原理 30
2.3.3 点云配准拼接实例 32
2.4 激光点云数据的滤波去噪 34
2.4.1 点云数据的噪声来源 35
2.4.2 点云滤波方法 35
2.4.3 点云滤波的精度评定 36
2.4.4 融合回光强度的表面拟合滤波算法 40
2.5 激光点云数据的空洞修补 51
2.5.1 研究现状 51
2.5.2 空洞边界提取经典算法 52
2.5.3 基于Loop细分的点云空洞填补 54
2.5.4 基于Loop细分的点云空洞填补实验与分析 56
2.6 激光点云数据的压缩抽稀 62
2.6.1 面向地形数据的点云数据压缩抽稀算法 63
2.6.2 点云数据压缩抽稀实例 64
2.7 激光点云数据的误差对精度的影响 66
2.7.1 地面激光扫描误差分析 66
2.7.2 点云配准误差传播模型 66
参考文献 70
第3章 三维激光点云数据的DEM 构建 72
3.1 DEM插值算法 72
3.2 构建实验区DEM 74
3.2.1 数据检验 74
3.2.2 DEM构建 76
3.2.3 DEM精度评定 78
参考文献 81
第4章 点云地形特征提取 82
4.1 基于DEM的地形特征提取 82
4.1.1 地物提取与分析 82
4.1.2 侵蚀特征提取及分析 83
4.2 基于鲁棒统计的点云法向量估计 84
4.2.1 相关研究 85
4.2.2 提出的算法 87
4.2.3 实验与分析 92
4.3 基于LiDAR点云的曲率计算 98
4.3.1 基于MLS法的曲率计算原理 99
4.3.2 基于MLS法的曲率计算方法 100
4.4 基于LiDAR点云的谷脊线提取 104
4.4.1 点云特征线提取研究现状 104
4.4.2 谷脊线的曲率特性 105
4.4.3 谷脊线提取算法描述 107
4.4.4 曲面拟合点云邻域点选择 108
4.4.5 谷脊点的判定 108
4.4.6 谷脊点的平滑收缩与谷脊线的生成 109
4.4.7 实验与分析 111
参考文献 118
第5章 基于地面三维激光扫描点云的侵蚀沟变化分析 121
5.1 研究现状 121
5.1.1 侵蚀沟变化分析的研究与发展 121
5.1.2 基于地面激光点云的地形变化分析方法与分类 122
5.1.3 基于点云的地形变化判定 124
5.2 研究区域与实验数据 125
5.3 基于点到点距离的点云变化比较算法 126
5.3.1 算法原理 126
5.3.2 算法描述 127
5.3.3 实验与分析 127
5.4 基于点到模型距离的点云变化比较算法 130
5.4.1 算法原理 130
5.4.2 算法描述 130
5.4.3 实验与分析 131
5.5 基于多尺度模型到模型距离的点云变化比较算法 135
5.5.1 算法原理 135
5.5.2 算法描述 136
5.5.3 关键步骤与参数 137
5.5.4 实验与分析 140
5.6 侵蚀沟泥沙负载量的估算及不确定性分析 149
5.6.1 测量过程随机误差 149
5.6.2 泥沙负载量不确定性及修正方法原理 150
5.6.3 结果与分析 154
参考文献 160
第6章 基于图像重建技术建立三维地面模型 161
6.1 基于图像重建技术建立三维地面模型的技术路线 161
6.2 基于匹配特征点的稀疏重建 162
6.2.1 特征点检测及常用算法 163
6.2.2 SIFT特征提取与匹配 164
6.2.3 Harris角点检测 166
6.2.4 融合Harris特征的SIFT描述与匹配 168
6.2.5 光束法平差 173
6.2.6 SFM计算流程 173
6.3 稠密重建及DEM构建 176
6.3.1 稠密重建 176
6.3.2 针对三维地形重建的改进面片扩展方法 177
6.4 实验验证及结果分析 182
6.4.1 室内实验验证及结果分析 182
6.4.2 切沟实验验证及结果分析 189
参考文献 191
第7章 基于无人机的切沟三维建模与分析 194
7.1 实验流程 194
7.2 实验硬件设备与软件工具 197
7.2.1 无人机——DJI Inspire 1 197
7.2.2 RTK GPS——FIOF A30 198
7.2.3 航路规划软件——Pix4D capture 198
7.2.4 三维建模软件——Agisoft PhotoScan 199
7.3 实验区域情况 200
7.3.1 实验地点 200
7.3.2 切沟情况 200
7.4 外业实施过程 201
7.4.1 航路规划与执行 201
7.4.2 地面控制点布置与量测 208
7.5 内业处理过程 210
7.5.1 相机模型与校准 210
7.5.2 航图导入与检查 213
7.5.3 POS信息处理 215
7.5.4 相机内/外参数解算 216
7.5.5 连接点的编辑与修整 217
7.5.6 相机参数优化 218
7.5.7 空间配准 221
7.5.8 稠密点云构建 222
7.5.9 栅格高程模型构建 222
7.5.10 三角网格构建 223
7.5.11 纹理映射 224
7.5.12 正射影像 225
7.6 独立切沟实验结果与分析(倾斜摄影) 225
7.6.1 航图获取 225
7.6.2 POS信息处理 227
7.6.3 地面控制点量测 227
7.6.4 相机参数解算 228
7.6.5 地面控制点标记 231
7.6.6 相机参数优化 232
7.6.7 稠密点云构建 236
7.6.8 DEM模型构建 237
7.6.9 TIN模型构建 238
7.6.10 正射影像构建 239
7.7 整体沟系实验结果与分析(正射摄影) 239
7.7.1 航图获取 239
7.7.2 POS信息处理 240
7.7.3 地面控制点量测 240
7.7.4 相机参数解算与优化 241
7.7.5 DEM模型构建 244
7.7.6 正射影像生成 244
参考文献 246
