LAS格式的解析與轉(zhuǎn)換

孫愛怡，王健

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島266590)

LAS格式的解析與轉(zhuǎn)換

孫愛怡，王健

(山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島266590)

摘要：本文主要探討LAS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程,在分析已有四種版本的基礎(chǔ)上,探討LAS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢(shì),并采用C++語言對(duì)該格式的LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和轉(zhuǎn)換試驗(yàn),檢驗(yàn)了LAS格式的效率,并為以后的LAS格式數(shù)據(jù)處理提供參考。

關(guān)鍵詞：點(diǎn)云數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)格式;LAS;格式分析;數(shù)據(jù)提取

0引言

隨著空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對(duì)獲取準(zhǔn)確可靠空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對(duì)獲取準(zhǔn)確可靠空間數(shù)據(jù)的要求也越來也高。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量因?yàn)樯a(chǎn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、效率低、高程點(diǎn)獲取的密度低,已不適應(yīng)當(dāng)前信息社會(huì)的需要。而能夠精確、快速地獲取地面三維數(shù)據(jù)的機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)作為一種經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)隨之孕育而生。始于20世紀(jì)70年代后期,是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng),是一種主動(dòng)遙感技術(shù),用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM、DTM、地表附著物等信息[1]。它可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確地獲取,并根據(jù)實(shí)時(shí)攝影的數(shù)碼相片,通過計(jì)算機(jī)重構(gòu)來實(shí)現(xiàn)實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型,再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。

因?yàn)長(zhǎng)iDAR是由多種設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng),其獲取的數(shù)據(jù)也有很多種,數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富,包含三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高清晰數(shù)碼影像等多種數(shù)據(jù)形式,能真實(shí)直觀地反映實(shí)際地形地貌[2],而且信息獲取時(shí)的數(shù)據(jù)流程也比較復(fù)雜。目前原始數(shù)據(jù)的獲取和激光腳點(diǎn)坐標(biāo)解算,精度控制等都由硬件生產(chǎn)廠家在提供原始數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行的,但因?yàn)橛脩舨煌?他們對(duì)數(shù)據(jù)的要求也不同,有時(shí)硬件廠家提供的數(shù)據(jù)不滿足要求。以往LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式通常是由采集和處理LiDAR數(shù)據(jù)的硬(軟)件廠商提供,常見的有:Leica 公司的 Pts,Ptx存儲(chǔ)格式,由TerraScan軟件處理后的 Bin,Ts存儲(chǔ)格式[3]。目前國(guó)際上常用的LiDAR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式包括ASCⅡ文本、柵格以及自定義二進(jìn)制格式等[4]。ASCⅡ文本直接將LiDAR點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成ASCⅡ碼存儲(chǔ),占用空間較大,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定難以建立索引;柵格文件格式是一種成熟的地理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法,但由于LiDAR 數(shù)據(jù)為離散點(diǎn),如果采用柵格方式存儲(chǔ),需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插,可能造成有用信息的丟失,影響了原始數(shù)據(jù)的精度[5];而一些硬件廠商采用的自定義二進(jìn)制記錄格式往往只是針對(duì)特定的硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件,難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,且通用性較差,而且大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)空間的占用也很巨大[6]。有的提供原始的三維離散點(diǎn)云數(shù)據(jù),有的提供進(jìn)行內(nèi)插后的格網(wǎng)數(shù)據(jù),有的提供包含多次回波信息和回波強(qiáng)度信息,而有的不提供回波次數(shù)和強(qiáng)度信息。制定一個(gè)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范機(jī)載數(shù)據(jù)格式,使機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)能夠被數(shù)據(jù)后處理的軟件所通用,對(duì)機(jī)載LiDAR在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有很大意義。為了方便不同的硬件廠商、軟件廠商和用戶之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享,美國(guó)攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)(ASPRS)機(jī)構(gòu)下的 LiDAR 專業(yè)委員會(huì)于 2003 年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn) LiDAR 數(shù)據(jù)格式 LAS.

1LAS格式分析

在經(jīng)過修改后的2.0版本發(fā)布前,一個(gè)完整的LAS文件格式由三部分組成,分別是公共頭,變長(zhǎng)記錄和LiDAR點(diǎn)集記錄[7]。這樣組織的好處是在文件頭部分可以用來記錄數(shù)據(jù)的一些基本信息,如點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)范圍等等。而在變長(zhǎng)記錄中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的投影信息,元數(shù)據(jù)信息及用戶自定義信息等。最后的點(diǎn)集坐標(biāo)數(shù)據(jù)就是LiDAR 真實(shí)的地物三維數(shù)據(jù)。2.0版本的LAS數(shù)據(jù)則增加了點(diǎn)記錄元數(shù)據(jù)塊,變?yōu)橛伤牟糠謽?gòu)成。在先前的基礎(chǔ)上拓展了數(shù)據(jù)規(guī)范,這種拓展向用戶提供一種更加開放的格式,它增加了點(diǎn)記錄元數(shù)據(jù)塊,將地物點(diǎn)的屬性統(tǒng)一在這部分描述,同時(shí)加入了用戶自定義的許可,用戶可以按照規(guī)范增加自己需求的文件格式,是LAS 中比較靈活的部分。表1示出了1.1版本與2.0版本版本格式的異同。

表1　LAS兩種版本的異同

1.1公共頭

公共頭用來記錄數(shù)據(jù)集的基本信息。如LiDAR點(diǎn)總數(shù),數(shù)據(jù)范圍,LiDAR 點(diǎn)格式,變長(zhǎng)記錄總數(shù)等。由于一個(gè)LAS文件可能是由硬件采集的數(shù)據(jù)直接生成的或是對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、融合、修改后得到的,因此公共頭中還記錄了LAS文件的生成方式。

針對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)多返回的特點(diǎn),公共頭還記錄了最多可達(dá)5次返回的每次返回的LiDAR點(diǎn)總數(shù)。公共頭中還記錄了X、Y、Z方向的比例尺因子(scale)和偏移值(offset),這樣能夠減少每條點(diǎn)記錄的長(zhǎng)度(LiDAR 點(diǎn)集記錄中采用long 型記錄三維坐標(biāo)),而且LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)坐標(biāo)可以通過下列公式得到:

式中,Xrecord、Yrecord、Zrecord為L(zhǎng)iDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的記錄值。

1.2變長(zhǎng)記錄

變長(zhǎng)記錄區(qū)位于公共文件頭去之后,用來記錄數(shù)據(jù)的投影信息、元數(shù)據(jù)信息以及用戶自定義信息等,是LAS格式中最靈活的部分。每條變長(zhǎng)記錄包括固定的變長(zhǎng)記錄頭和靈活的擴(kuò)展域兩部分。一條變長(zhǎng)記錄的長(zhǎng)度=變長(zhǎng)記錄頭長(zhǎng)度+擴(kuò)展域長(zhǎng)度。在其中包含一些元數(shù)據(jù),如點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系信息,用于判斷每條變長(zhǎng)記錄起始位置的記錄標(biāo)簽,運(yùn)用字符串來記錄變長(zhǎng)記錄的用戶ID和通過LAS格式來確定的記錄ID等。

點(diǎn)集記錄部分保存了大量的LiDAR腳點(diǎn)信息,是LAS文件的核心,記錄了每個(gè)離散點(diǎn)云的三維坐標(biāo)和相關(guān)屬性。如圖1所示。LAS支持的LiDAR 點(diǎn)記錄格式有100種,從Format 0～Format 99.在同一個(gè)LAS文件中,只有一種LiDAR點(diǎn)格式。而且要與公共頭中的點(diǎn)格式一致。Format 0是基本的LiDAR 點(diǎn)記錄格式,其他的點(diǎn)格式都是以Format 0為基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展的。如目前常用的Format 1格式就是在Format 0的基礎(chǔ)上增加了一條屬性來記錄每個(gè)腳點(diǎn)的GPS時(shí)間。這樣可保證LiDAR點(diǎn)格式中屬性記錄的靈活性和可擴(kuò)展性。Format 0格式的點(diǎn)記錄,包含多條基本屬性,如空間X、Y、Z坐標(biāo),激光反射強(qiáng)度值,當(dāng)前點(diǎn)的分類號(hào),當(dāng)前激光脈沖的回波總數(shù),當(dāng)前腳點(diǎn)屬于第幾次返回等?？紤]到LiDAR按條帶進(jìn)行掃描的特點(diǎn),在Format 0的點(diǎn)記錄中,還包括有當(dāng)前激光器掃描角度和當(dāng)前點(diǎn)是否為條帶邊緣點(diǎn)等信息(這些信息的記錄有助于在后繼處理中進(jìn)行條帶間數(shù)據(jù)的匹配和拼接)。

圖1　LAS2.0點(diǎn)集記錄

目前應(yīng)用較廣的版本分別是 LAS1.0,LAS1.1,LAS1.2,LAS1.3,LAS1.4,LAS2.0.LAS 逐漸成為 LiDAR 數(shù)據(jù)處理的一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2LAS數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與讀取

基于上述對(duì)LAS格式的解析,選取某實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,該實(shí)驗(yàn)區(qū)域包含建筑物、道路、植被等典型地物,利用C++編程語言調(diào)用Liblas類庫(kù),實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的LAS2.0版本的數(shù)據(jù)到txt格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,并從中獲取可用信息。部分程序如下:

#include "stdafx.h"

#include "liblas/lasreader.h"

///#include

#include

//#include

#include

#include

#include

using namespace std;

#include//檢測(cè)內(nèi)存泄漏

#define m_StrOpenPath_T("F:\test.las")

int_tmain(intargc,_TCHAR* argv[])

{

FILE* flas;

_tfopen_s(&flas,m_StrOpenPath, _T("rb"));

LASreaderreadin;

readin.open(flas);

//read data

intnPts=readin.header.number_of_point_records;

doublemaxx=readin.header.max_x;

double minx=readin.header.min_x;

doublemaxy=readin.header.max_y;

doubleminy=readin.header.min_y;

doublemaxz=readin.header.max_z;

doubleminz=readin.header.min_z;

}

可以獲得該區(qū)域的點(diǎn)數(shù)為23 265,平均點(diǎn)密度為1.364,強(qiáng)度值的范圍從 0～ 223,圖2示出了程序運(yùn)行過程，圖3示出了運(yùn)行結(jié)果,可以直觀地獲取點(diǎn)位信息。

圖2　程序運(yùn)行過程

圖3　程序結(jié)果輸出形成point.txt文件

3結(jié)束語

隨著機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)也在不斷改進(jìn)更新。因此在分析LAS2.0數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將常見的軟件所不能進(jìn)行讀取的LAS2.0版本的文件轉(zhuǎn)換成txt文件,更加清楚直觀的獲取點(diǎn)云點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)、分類、數(shù)據(jù)來源等信息。以便進(jìn)行更加直觀的進(jìn)行分析,為日后的LiDAR數(shù)據(jù)處理提供參考,以及進(jìn)行其他方面的利用。

參考文獻(xiàn)

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孫愛怡(1989-),女,山東濰坊人,碩士生,主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論及其應(yīng)用。

王健(1974-)，女，山東沂水人，博士，副教授，主要從事現(xiàn)代測(cè)量數(shù)據(jù)處理和LiDAR技術(shù)等方面的教學(xué)及研究工作。

LAS Analysis and Format Conversion

SUN Aiyi,WANG Jian

(ShandongUniversityofScienceandTechnology,CollegeofGeomics,Qingdao266590,China)

Abstract: The main content of this paper is to introduce LAS data structure. Then in-depth discussion LAS data structure of development,has four versions in the analysis,based on the criteria discussed LAS trends,and using C++to deal withLiDAR data in the format and language in orderto read and transformation test,inspection of the LAS format efficiency and format data for subsequent processing to provide reference LAS.

Keywords:Point cloud data; data format; LAS; format analysis; data extraction

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.023

收稿日期：2015-12-21

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0115-04

作者簡(jiǎn)介

資助項(xiàng)目： 山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：ZR2014DM014)，海島(礁)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(編號(hào)2013B09)

聯(lián)系人： 孫愛怡 E-mail: geosunaiyi@163.com