機(jī)載LiDAR掃描數(shù)據(jù)深加工及應(yīng)用研究

宋新龍，田耀永

(河南省測(cè)繪工程院，河南鄭州450008)

機(jī)載LiDAR掃描數(shù)據(jù)是通過(guò)對(duì)機(jī)載激光發(fā)射器接收的信號(hào)進(jìn)行處理所獲得的表達(dá)地表三維形態(tài)的離散的、密度不均勻的數(shù)據(jù)點(diǎn)集，能夠以較高的精度反映地表的真實(shí)狀況，如地面高低起伏，地表物體反射特性、大小、高矮，物體之間相對(duì)距離關(guān)系等。機(jī)載LiDAR具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點(diǎn)。如何利用獲得的機(jī)載LiDAR掃描數(shù)據(jù)加工生產(chǎn)系列的地理信息產(chǎn)品及進(jìn)行簡(jiǎn)單應(yīng)用，在下面的內(nèi)容中將進(jìn)行具體探討。

一、機(jī)載LiDAR掃描數(shù)據(jù)深加工

機(jī)載LiDAR掃描數(shù)據(jù)加工處理包括：裁剪航帶重疊點(diǎn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)、空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、高程異常改正、DSM生成、DEM生成、等高線提取、DOM生成等9個(gè)基本步驟，整個(gè)處理流程如下。

1．裁剪航帶重疊點(diǎn)

相鄰的航帶間會(huì)有一定的掃描重疊區(qū)域，在航帶拼接完成后，這些重疊區(qū)域點(diǎn)云密度比正常密度高一倍左右，需要裁切重疊區(qū)域，裁切后可以獲得一個(gè)密度均勻的激光點(diǎn)區(qū)域和精度較高的激光點(diǎn)云。在導(dǎo)入航跡文件后，可以在Terrasolid軟件下的Terrascan模塊，利用macro功能，進(jìn)行cutoverlap，即可完成航帶重疊點(diǎn)的分類(lèi)裁切。

2．點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊

由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，Terrasolid數(shù)據(jù)處理軟件讀取點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件大小有限，在進(jìn)行分類(lèi)處理和相關(guān)操作時(shí)，并且對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求較高，當(dāng)讀取文件超過(guò)32 MB時(shí)，容易引起內(nèi)存溢出，造成死機(jī)。因此，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理之前，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，這樣可以提高工作速度，在以后處理時(shí)可以單獨(dú)調(diào)取一小塊進(jìn)行細(xì)分操作，處理完成后融合成一個(gè)整體數(shù)據(jù)，不影響數(shù)據(jù)質(zhì)量，且保證運(yùn)行穩(wěn)定。數(shù)據(jù)分塊的大小可以根據(jù)計(jì)算機(jī)配置的高低進(jìn)行調(diào)整，一般設(shè)成200×200大小，在Terrascan模塊下，新建工程文件，利用block功能，可以完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊。

3．點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)的目的是為了剔除噪聲點(diǎn)，將不同的地表點(diǎn)和地面點(diǎn)分成不同的點(diǎn)集，一般可分為噪聲點(diǎn)集，地面點(diǎn)集，植被點(diǎn)集，建筑物點(diǎn)集等，點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)的好壞，直接影響到DEM、DSM、等高線等產(chǎn)品的精度和質(zhì)量。分類(lèi)的算法是基于鄰近激光腳點(diǎn)間的高程突變(局部不連續(xù))，兩鄰近點(diǎn)間的距離越近，兩點(diǎn)間高差越大，較高點(diǎn)位于地形表面的可能性就越小，因此，判斷某點(diǎn)是否位于地形表面時(shí)，要顧及該點(diǎn)到參考地形地面點(diǎn)的距離，隨著兩點(diǎn)間距離的增加，判斷的閾值也應(yīng)放寬，主要是為了同時(shí)考慮地形起伏的高程變化。

1)首先要用分類(lèi)器將所有的點(diǎn)都?xì)w于DEFAULT類(lèi)，便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)備份，導(dǎo)入航跡線，去除DEFAULT類(lèi)中重疊區(qū)域中的冗余點(diǎn)。．

2)噪聲點(diǎn)濾除。一般根據(jù)絕對(duì)高程或設(shè)定閾值來(lái)去除明顯的異常點(diǎn)，也可以根據(jù)其他的濾波算法進(jìn)行噪聲點(diǎn)濾除。

3)進(jìn)行點(diǎn)云分類(lèi)。首先分離出低點(diǎn)，然后根據(jù)多重回波性質(zhì)進(jìn)行植被分類(lèi)，提取地面點(diǎn)，再?gòu)牡孛纥c(diǎn)中分離出水域中的點(diǎn)，地面關(guān)鍵點(diǎn)，建筑物上的點(diǎn)等。

4)精細(xì)分類(lèi)，對(duì)初步分類(lèi)后的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行人工處理，使數(shù)據(jù)分類(lèi)進(jìn)一步細(xì)化，數(shù)據(jù)表達(dá)更加準(zhǔn)確。這時(shí)還可依據(jù)相應(yīng)區(qū)域的正射影像來(lái)分析判斷。人工處理的主要對(duì)象為自動(dòng)處理中無(wú)法識(shí)別的數(shù)據(jù)點(diǎn)。例如噪聲點(diǎn)、低點(diǎn)、高點(diǎn)、其他地物點(diǎn)以及水域點(diǎn)。有的區(qū)域由于植被較密激光點(diǎn)無(wú)法打到地面，植被點(diǎn)被錯(cuò)誤分為地面點(diǎn)，在這一步驟中可通過(guò)人工干預(yù)分出植被點(diǎn)。

4．空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

由于獲取的機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)坐標(biāo)一般是WGS-84坐標(biāo)系，這與現(xiàn)在通常應(yīng)用的西安80坐標(biāo)系不同，當(dāng)點(diǎn)云分類(lèi)完成后，就需要進(jìn)行下一步的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后才能得到需要的坐標(biāo)系，一般采用七參數(shù)進(jìn)行平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。具體的做法就是將分類(lèi)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按一定的格式輸出成TXT文檔，再用程序進(jìn)行批處理轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換程序界面如圖1。

圖1 七參轉(zhuǎn)換系統(tǒng)界面

5．高程異常改正

GPS定位問(wèn)題所提供的是以橢球面為基準(zhǔn)的大地高程，點(diǎn)云數(shù)據(jù)同樣也是大地高程，而實(shí)際所需要的是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的正常高程，可以利用測(cè)區(qū)已存在的精化大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)來(lái)擬合高程，采取的方法是依據(jù)河南省的高程異常等值線，直接以曲面擬合的方法完成WGS-84的橢球高向大地水準(zhǔn)面的正常高的轉(zhuǎn)換。具體的做法同平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一樣，采用文件轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行，程序界面如圖2。

圖2 高程異常改正系統(tǒng)界面

6．DSM生成

將經(jīng)過(guò)平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和高程異常改正后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Terrasolid數(shù)據(jù)處理軟件中，利用Terrascan模塊里creat editablemodel，將分類(lèi)后的植被、建筑物、水面及關(guān)鍵點(diǎn)、地面數(shù)據(jù)等，設(shè)置基本參數(shù)后，就可以完成地表模型的生成。

7．DEM生成

DEM的生成和DSM類(lèi)似，只需要地面點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)就可以。具體實(shí)現(xiàn)步驟同DSM。

8．等高線提取

等高線的提取方法比較多，重要的是等高線的圓滑與合理。特別是等高線的圓滑處理，直接關(guān)系到等高線的質(zhì)量，處理方法多種多樣，用到的算法和軟件也比較多，有點(diǎn)云抽稀后直接生成等高線的方法，有先生成DEM后再根據(jù)DEM的灰度值提取點(diǎn)高程點(diǎn)后反生等高線的，用的軟件也比較多，有南方 CASS、JX4、VirtuoZo、GEOWAY 等，而本文再采用的是點(diǎn)生成等高線，再利用線生成點(diǎn)，濾波后再生成等高線的方法，具體的做法如下：在TerraSolid環(huán)境下，利用分類(lèi)后的地面點(diǎn)生成等高線、然后進(jìn)行等高線插點(diǎn)，將內(nèi)插后的點(diǎn)進(jìn)行低通濾波，得到的點(diǎn)再反生線等高線。這樣得到的等高線不僅接近真實(shí)地貌，并且圓滑度也比較好，效果如圖3。

圖3 生成的等高線

9．DOM生成

機(jī)載LiDAR鎖獲得的影像數(shù)據(jù)生成DOM的基本步驟與利用JX4、VirtuoZo等數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)基本一致，本文采用的是TerraSolid軟件生成DOM數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行航帶間匹配，計(jì)算出相機(jī)姿態(tài)角的參數(shù)，對(duì)航帶進(jìn)行微調(diào)，使得到的數(shù)據(jù)更精確，導(dǎo)入keypoint數(shù)據(jù) modelkey．las，添加相機(jī)文件，生成粗正攝影像，然后把所有的圖片信息疊加在一起，通過(guò)keypoint輔助配準(zhǔn)糾正，對(duì)配準(zhǔn)后的影像圖進(jìn)行顏色糾正，地物拼接，必要時(shí)可用Photoshop輔助編輯圖片，生成正射影像，由于飛機(jī)的拍攝角度和位置不同，同一地物在不同航帶所拍攝的相片里存在較大的差別，在同一航帶的不同位置進(jìn)行拍攝，也不盡相同。主要表現(xiàn)為在拼接線處高層建筑不能接邊，植被在地面上的陰影不接邊等，影響生成的正射影像的質(zhì)量?？梢詫?duì)拼接線處的照片進(jìn)行分析，切割不接邊部分，拼接成一幅完整的正射影像。

二、產(chǎn)品應(yīng)用

在完成高精度的數(shù)字地面模型DTM、數(shù)字地表模型DSM、等高線數(shù)字正攝影像圖色生成后，可以利用以上產(chǎn)品，進(jìn)行不同比例尺的DLG數(shù)據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)，三維數(shù)字城市建模，4D融合產(chǎn)品生產(chǎn)等，可以廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、道路工程、電力電網(wǎng)、水利、石油管線、海岸線及海島礁、數(shù)字城市、三維城市建模等領(lǐng)域。

1．三維建模

在數(shù)字區(qū)域、數(shù)字城市建設(shè)中，可以利用LiDAR數(shù)據(jù)生成的高精度的數(shù)字地面模型(DEM)，數(shù)字正攝影像圖(DOM)，進(jìn)行三維大場(chǎng)景模型構(gòu)建，將DEM按公里格網(wǎng)或圖幅分割成不同單元，在3DMax中進(jìn)行地面模型構(gòu)建，再將DOM同樣分割成坐標(biāo)一致的不同單元圖像，作為地面紋理，粘貼到對(duì)應(yīng)的地面模型上，如果再將地表建筑物及其他模型導(dǎo)入，可以拼接成真實(shí)帶有坐標(biāo)信息和高程信息的真實(shí)三維景觀，也可以導(dǎo)出到各種三維GIS平臺(tái)上，形成真三維地理信息系統(tǒng)。

2．DLG生產(chǎn)

在生成等高線的同時(shí)，也可以導(dǎo)入數(shù)字正射影像以及對(duì)應(yīng)的經(jīng)過(guò)濾波抽稀后的激光地面點(diǎn)到制圖軟件(MapGIS、ArcGIS等)中，進(jìn)行DLG產(chǎn)品的采集生產(chǎn)，可以按照以下步驟繪制線劃圖。

(1)繪制明顯地物

在正射影像上繪出所有可識(shí)別的地物(建筑物除外)，如：道路、水溝、地類(lèi)界、水塘、坎、斜坡、橋梁、涵洞、鐵路、高壓線桿等。對(duì)于高度在1 m以上的陡坎，可通過(guò)提取的激光地形特征點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)來(lái)判斷坎的高度，然后利用正射影像將坎描繪出來(lái);當(dāng)激光點(diǎn)高差比較大，從影像上判斷又是陡坎或斜坡時(shí)，應(yīng)該繪制陡坎或斜坡。

(2)建筑物糾正

將建筑物區(qū)域已分類(lèi)的地面和非地面激光點(diǎn)(將地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)分別以不同的顏色表示)導(dǎo)人到制圖軟件平臺(tái)中，并與正射影像疊加，通過(guò)分類(lèi)的地面和建筑物激光點(diǎn)來(lái)判斷、繪制建筑物的輪廓。由于正射影像只是對(duì)地表進(jìn)行了投影差改正，并未對(duì)高出地面的建筑物進(jìn)行糾正，對(duì)于那些在正射影像上能夠看到底部的建筑物，可以利用建筑物的墻基進(jìn)行糾正，即在靠近投影中心的一邊根據(jù)建筑物地面線繪制，另一邊要根據(jù)建筑物頂部投影大小及形狀對(duì)其進(jìn)行改正。另外，由于激光點(diǎn)是直接獲取三維直角坐標(biāo)，不存在投影差，因而這些點(diǎn)的平面精度是非常高的;根據(jù)其高程值大小，可以區(qū)分是在房屋上還是在地面上，然后參照建筑物激光點(diǎn)的范圍和大小就可以準(zhǔn)確地確定建筑物的形狀和位置。

(3)像片調(diào)繪與圖形補(bǔ)測(cè)

調(diào)繪內(nèi)容包括居民地、獨(dú)立地物、道路及附屬設(shè)施、管線和垣柵、水系及附屬設(shè)施、境界、地貌土質(zhì)、植被、地理名稱調(diào)查與注記等。采用RTK或全站儀來(lái)補(bǔ)測(cè)室內(nèi)未曾判別的電力線桿、通信線桿、涵洞、橋梁等重要地物，并將它們展繪到原圖形上，查驗(yàn)其與正射影像上周?chē)匦蔚匚锏姆铣潭?。?duì)于距控制點(diǎn)較遠(yuǎn)的應(yīng)先布設(shè)圖根控制點(diǎn)再補(bǔ)測(cè)、修測(cè)，圖根控制的技術(shù)要求按《工程測(cè)量規(guī)范》執(zhí)行。

(4)室內(nèi)修圖與精度檢測(cè)

利用野外調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行室內(nèi)的修改和補(bǔ)充清繪。為保證成圖的質(zhì)量和精度，由外業(yè)組進(jìn)行地形地物的數(shù)學(xué)精度統(tǒng)計(jì)(包括地物丈量、點(diǎn)位檢測(cè)、高程檢測(cè)等)。

3．融合產(chǎn)品

在生成 DEM、MOD、DLG的基礎(chǔ)上，可以將DOM與DLG的進(jìn)行套合，及可以滿足專(zhuān)業(yè)人員的用途需要，也可以滿足非專(zhuān)業(yè)人員的直觀判讀，將DEM與DOM融合，可以生成三維電子沙盤(pán)，真實(shí)再現(xiàn)三維地貌，滿足整體規(guī)劃、軍事推演等方面的應(yīng)用需求。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文是在對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單研究。涉及的每個(gè)環(huán)節(jié)采用了多種方案進(jìn)行嘗試，最后總結(jié)一套適合規(guī)模化生產(chǎn)的完整LiDAR數(shù)據(jù)系列產(chǎn)品制作的技術(shù)流程，不足之處，請(qǐng)廣大同行批評(píng)指正。

[1]黃金浪．基于TerraScan的數(shù)據(jù)處理[J]．測(cè)繪通報(bào)，2007(10)：12-13．

[2]陳堅(jiān)，金翔龍．機(jī)載激光測(cè)深技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用[J]．海洋通報(bào)，2002，(6)：76-83，91．

[3]王鐵軍，陳云，袁如金．基于LiDAR數(shù)據(jù)的DEM和矢量自動(dòng)提取探討[J]．測(cè)繪與空間地理信息，2009(1)：29-31．

[4]楊海全，余潔，秦昆，等．基于知識(shí)的LiDAR數(shù)據(jù)地物提取研究[J]．測(cè)繪通報(bào)，2006(12)：9-11．

[5]賈玉明，雷鳴，侯紅松．LiDAR機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)制作DEM 原理分析[J]．大眾科技，2007(8)：79-80．

[6]王曉輝，胡伍生，劉行波．LiDAR系統(tǒng)測(cè)量成果精度檢測(cè)[J]．測(cè)繪工程，2007，6(3)：67-69，73．

[7]梁欣廉．激光雷達(dá)數(shù)據(jù)特點(diǎn)[J]．遙感信息，2005，78(3)：75-76．