大规模LiDAR数据的建模方法与应用研究

论文摘要

机载激光雷达（Light Detection And Ranging, LiDAR）技术使获取海量地形数据变得越来越容易。随着应用的深入,经常需要对一个大面积区域构建数字地面模型（Digital Terrain model, DTM）。由于某些应用领域的存储限制和计算能力限制,对大规模LiDAR点云数据构TIN （Triangulated Irregular Network, TIN）面临着巨大的挑战：内存限制。如何有效地利用计算机资源更快更好地构建Delaunay三角网（D-TIN）并进行三维显示成为迫在眉睫的任务。本文的主要目标是寻求提高大规模LiDAR数据构TIN算法的时间效率与地形可视化的有效途径。本文的研究工作主要工作包括以下几个方面：（1）分析LiDAR数据的特点和数据组织方式；总结了基于LiDAR数据的数字高程模型（Digital Elevation Modle, DEM）的建立方法以及所面临的问题；讨论了利用LiDAR数据具有高度空间连贯性的特点来改善构TIN算法的时间效率的可能性。（2）介绍了Delaunay三角形的概念以及其特点。介绍了构造D-TIN的经典的逐点插入算法的算法思想和实现步骤,以及局部优化的概念和思想。同时,比较了几种面向地理的三维空间模型优缺点,介绍了面向对象的建模方法。（3）对目前国际上先进的"Isenburg基于流处理的三角网生成算法”进行了较深入的研究。其中,对网格流生成算法、稳定三角形判定算法进行了较仔细的分析总结,给出了算法流程；在三角形局部优化方面,分析了以有向边作为优化着眼点的LOP算法,在此基础上引入Qi函数对该算法进行了改进；将生成的TIN信息以OBJ格式保存,提高了可移植性与通用性；利用VC++6.0对以上算法进行了实现,并将优化后的算法与经典的逐点插入算,基于四叉树的逐点插入算法进行了比较,得出该算法的时间复杂度在一般情况下接近于,并对时间复杂度进行了分析。（4）为了快速真实地模拟地形,本文针对现有三维建模的技术特点尝试了建立基于OBJ标准模型文件的,面向对象TIN三维数据模型的解决办法,并利用OpenGL和VC++6.0实现了TIN模型的可视化,从而验证了该模型的有效性。本文在引进、学习国外先进算法的基础上,结合工程需要对该算法加以改进,通过将其输出结果以OBJ文件保存并使用面向对象的方式对TIN进行建模。这样对加快三维建模,提高三维模型通用性具有一定的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 三角网生成算法
• 1.2.2 面向地理的三维空间模型
• 1.3 本文研究内容、目标与技术路线
• 1.3.1 本文研究内容
• 1.3.2 研究目标
• 1.3.3 技术路线
• 1.4 论文的组织
• 第2章 LiDAR数据研究
• 2.1 机载激光点云数据的构成
• 2.2 机载激光数据特点
• 2.3 激光雷达的数据标准化
• 2.4 激光雷达的数据组织
• 2.5 基于LiDAR的DEM建立
• 2.6 本章小结
• 第3章 数字地形模型的生成理论研究
• 3.1 地形模型生成技术
• 3.1.1 D-TIN基础
• 3.1.2 逐点插入算法实现过程
• 3.2 地理空间数据模型研究
• 3.2.1 传统的空间数据模型
• 3.2.2 面向对象数据模型
• 3.2.3 对象-关系型数据模型
• 3.3 OO3D模型
• 3.3.1 OO3D模型的概念模型
• 3.3.2 OO3D模型的逻辑模型
• 3.3.3 OO3D模型的形式化描述
• 3.3.4 OO3D模型的拓扑描述
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于流处理的逐点插入算法
• 4.1 算法思路
• 4.2 流工作理论
• 4.3 优化的基于LiDAR数据的快速构TIN算法
• 4.3.1 数据结构
• 4.3.2 点流生成
• 4.3.3 超三角形的生成
• 4.3.4 逐点插入三角网
• 4.3.5 局部优化
• 4.3.6 稳定三角形判断
• 4.3.7 边界三角形的删除
• 4.4 试验与分析
• 4.5 算法时间复杂度分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于OBJ文件的TIN三维模型建立
• 5.1 OBJ三维模型文件格式
• 5.1.1 OBJ文件特点
• 5.1.2 OBJ文件基本结构
• 5.2 基于OBJ模型文件的三维模型类结构设计
• 5.2.1 三维模型数据模块
• 5.2.2 三维模型数据获取模块
• 5.2.3 三维模型可视化模块
• 5.3 试验与结果
• 5.3.1 OpenGL介绍
• 5.3.2 OpenGL绘制三维地形
• 5.3.3 地形晕渲的实现
• 5.3.4 系统框架
• 5.3.5 实验结果与结论
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 1 研究工作总结
• 2 进一步研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文