激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀剖析

郭玉芳

（1.國家測繪地理信息局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所，陜西 西安 710054）

激光雷達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀剖析

郭玉芳1

（1.國家測繪地理信息局測繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所，陜西 西安 710054）

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種主動式遙感探測技術(shù)，具有測量精度高、信息量豐富等特點(diǎn)。隨著LiDAR技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的增長，LiDAR的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展也愈加受到社會各部門的關(guān)注。在分析研究發(fā)達(dá)國家LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對我國LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行了剖析，提出了發(fā)展和完善LiDAR等測繪新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對策。

LiDAR；點(diǎn)云；標(biāo)準(zhǔn)；地理信息

LiDAR是近年來遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的一種集激光掃描儀、GPS以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）于一體的主動式遙感探測技術(shù)。其具有波束窄、定向好、植被穿透力強(qiáng)、測量精度高等特點(diǎn)，且激光脈沖不易受云層和太陽角度的影響，大大提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。LiDAR技術(shù)在地形測繪、道路、電力線測繪、森林參數(shù)測量、三維城市建模等領(lǐng)域都具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求[1]。歐美等發(fā)達(dá)國家在LiDAR領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用已有近20 a的成功經(jīng)驗，并已開始向大范圍應(yīng)用方向發(fā)展。2010年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）啟動了一項國家空間項目（NGP），對覆蓋全境范圍的LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。該項目不僅帶動了LiDAR技術(shù)的普及性推廣，而且推進(jìn)了LiDAR數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展。我國在LiDAR技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用起步較晚，LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展也相對滯后，本文在研究發(fā)達(dá)國家LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展的基礎(chǔ)上，剖析了我國LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和存在的問題，探討并提出了發(fā)展LiDAR等測繪新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對策。

1 國際LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展

在LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域，美國一直走在世界前列，因此本文以美國為例說明當(dāng)前國際LiDAR領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展?fàn)顩r。美國測繪地理信息標(biāo)準(zhǔn)的研制主要受市場的驅(qū)動，呈現(xiàn)多元化的特點(diǎn)，LiDAR的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也較多，側(cè)重點(diǎn)亦各不相同。目前，在LiDAR領(lǐng)域有兩 項影響頗為廣泛、適用性較高的標(biāo)準(zhǔn)：美國攝影測量與遙感學(xué)會（ASPRS）在2003年發(fā)布實施的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《LAS規(guī)范》（1.0版本）和USGS在2012年發(fā)布的《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》。

1.1 《LAS規(guī)范》

該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的記錄格式，旨在使不同類型的LiDAR硬件裝置和軟件處理工具都能為用戶提供一種開放的、通用的數(shù)據(jù)格式，方便用戶使用和數(shù)據(jù)共享。該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過不斷更新完善，目前正式發(fā)布的最新版本是1.4版，同時ASPRS 也正在研究更高級版本LAS Specification PROPOSAL 2.0[2-3]?！禠AS規(guī)范》（1.4版本）將LiDAR文件結(jié)構(gòu)分成4個部分，分別是頭文件、變長記錄、點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄和可擴(kuò)展的變長記錄[4]，具體內(nèi)容見表1。

表1 LAS文件主要結(jié)構(gòu)和內(nèi)容

規(guī)范而靈活的LAS 文件結(jié)構(gòu)，提供了一種通用的、開放式的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)記錄格式，既滿足了商業(yè)化市場LiDAR軟、硬件技術(shù)發(fā)展的多元化需求，也使LiDAR技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的通用性和實用性得到了很大提高。該標(biāo)準(zhǔn)的重要性是不言而喻的，同時也奠定了USGS隨后制定其他LiDAR標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

1.2 《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》

2009年USGS啟動了NGP項目進(jìn)行全國范圍LiDAR數(shù)據(jù)的獲取，為了保障NGP整體數(shù)據(jù)的質(zhì)量和統(tǒng)一性，2012年USGS正式發(fā)布了《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》（1.0版本）。該標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新完善，目前最新的是1.2版本。該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后迅速被美國的許多州、縣以及企業(yè)所接受，一些國家還將該標(biāo)準(zhǔn)作為本國制定LiDAR規(guī)范的基礎(chǔ)[5]。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了獲取和處理LiDAR數(shù)據(jù)的基本要求和最?。ǖ停﹨?shù)，涵蓋了LiDAR數(shù)據(jù)獲取的要求、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲規(guī)范、點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度的檢測與驗證、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類以及最終交付成果的要求等內(nèi)容[5]。表2是《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》（1.2版本）的主要章節(jié)和內(nèi)容。

表2 《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》主要內(nèi)容

2 我國LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀及存在的問題

近幾年隨著激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用和需求的不斷增長，我國測繪地理信息主管部門也相繼發(fā)布了數(shù)項LiDAR相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具體見表3。這些標(biāo)準(zhǔn)在推動和促進(jìn)LiDAR技術(shù)的規(guī)范發(fā)展和應(yīng)用方面都起到了積極作用。

表3 我國現(xiàn)有的LiDAR標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

深入分析和研究了我國現(xiàn)行的LiDAR相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其主要內(nèi)容，并與美國上述兩項LiDAR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，筆者認(rèn)為我國在LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域尚存在以下問題：

1）部分LiDAR標(biāo)準(zhǔn)仍存在缺失現(xiàn)象。LiDAR系統(tǒng)采用激光掃描的方式獲取回波信號，由于激光脈沖具有穿透作用，所以在一次掃描過程中可以收到多次的回波信號。因而，LiDAR數(shù)據(jù)具有海量存儲，回波信號屬性信息豐富的特點(diǎn)。分析我國現(xiàn)行的LiDAR標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)：針對LiDAR數(shù)據(jù)部分環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)還存在缺失現(xiàn)象，如對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)存儲格式的規(guī)定，對原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的檢測要求，多元化LiDAR產(chǎn)品的類型及數(shù)據(jù)規(guī)定等。這些標(biāo)準(zhǔn)的缺失，不利于LiDAR技術(shù)的推廣應(yīng)用，也制約了LiDAR數(shù)據(jù)的多部門共享和使用。

2）LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品比較單一，未能發(fā)揮其豐富信息。USGS在《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》中將LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品按照精度分級，同時在最終的交付成果中包括：原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)、分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、柵格數(shù)字高程模型以及特征線多種產(chǎn)品，這種多元化的地理信息產(chǎn)品既兼顧了不同部門對高程數(shù)據(jù)精度的不同要求，又避免了高精度數(shù)據(jù)帶來的信息冗余，同時還實現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)的獲取，多部門數(shù)據(jù)的共享和重復(fù)利用，推動了地理信息資源價值的提升。

目前，我國的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對LiDAR產(chǎn)品的規(guī)定還比較單一，仍局限于DEM和DSM，并未完全體現(xiàn)LiDAR數(shù)據(jù)所反映地物豐富信息的優(yōu)勢，因此，發(fā)展多精度等級、多元化地理信息產(chǎn)品也是新時期測繪地理信息部門服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求。

3）LiDAR新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新滯后，相關(guān)機(jī)制亟需完善。不論是《LAS規(guī)范》亦或是《激光雷達(dá)基礎(chǔ)規(guī)范》，在標(biāo)準(zhǔn)的1.0版本推出之后，都有更高級版本不斷更新，這既是LiDAR技術(shù)迅速發(fā)展的要求，也是新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自身不斷完善的需求。而我國標(biāo)準(zhǔn)的修訂和更新機(jī)制相對滯后，如在2011年發(fā)布的兩項LiDAR數(shù)據(jù)獲取和處理的標(biāo)準(zhǔn)并未能隨著LiDAR技術(shù)的發(fā)展適時進(jìn)行修訂和完善，在一定程度上影響和制約了LiDAR技術(shù)的應(yīng)用推廣。因此，建立新型的標(biāo)準(zhǔn)修訂和更新機(jī)制，尤其是在測繪新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，也是當(dāng)前我國改革標(biāo)準(zhǔn)化體制的一項重要內(nèi)容。

3 結(jié) 語

LiDAR具傳統(tǒng)測繪無法比擬的優(yōu)勢，可以快速獲取高密度、高精度數(shù)據(jù)；能穿透植被覆蓋精確探測地面真實地形；可提供豐富的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，如DEM、DOM、DSM等。本文在分析研究發(fā)達(dá)國家LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展的基礎(chǔ)上，分析了我國LiDAR標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和存在的問題，提出了在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)化體制改革的環(huán)境下，發(fā)展和完善LiDAR等測繪新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對策，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考和借鑒。

[1] 張留民,呂寶奇,林蒙恩. LiDAR標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)的解析與處理[J].測繪與空間地理信息,2014,37(5)：131-132,136

[2] 周曉明,唐德瑾,馬秋禾,等.LAS Version 2.0數(shù)據(jù)格式解析[J].測繪工程,2010,19(4)：43-46

[3] 劉春,姚銀銀,吳杭彬.機(jī)載激光掃描(LiDAR)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)的分析與數(shù)據(jù)提取[J].遙感信息,2009,24(4)：38-42

[4] ASPRS.LAS Specification Version1.4 [EB/OL]. http：//www. asprs.org/Press- Releases/LAS-1-4-Draft-Specification-Released-by-ASPRS.html, 2012-05-03/ 2015-04-06

[5] Hans Karl Heidemann.LiDAR Base Specification 1.2[EB/OL]. http：//nationalmap. gov/standards/index.html, 2014-11-13/ 2015-05-16

[6] CH/T 3014-2014.數(shù)字表面模型機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)規(guī)程[S].

[7] CH/T 8024-2011.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范[S].

[8] CH/T 8023-2011.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范[S].

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：1672-4623（2016）11-0004-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.002

郭玉芳，碩士，高級工程師，主要從事測繪地理信息標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定工作。

2015-11-11。

項目來源：2015國家測繪地理信息行業(yè)科研專項資助項目（201512006）。