基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)繪精細(xì)DEM制作

史長(zhǎng)斌，曹愛(ài)民

基于LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)繪精細(xì)DEM制作

史長(zhǎng)斌，曹愛(ài)民

（寧夏國(guó)土測(cè)繪院，寧夏銀川750002）

隨著機(jī)載激光LIDAR數(shù)據(jù)獲取及處理技術(shù)的快速發(fā)展，點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度迅速提升，對(duì)提高地形圖精度意義重大。文中通過(guò)使用LiDAR_Suite點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，完成從龐大數(shù)據(jù)量的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)到基礎(chǔ)地理信息測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)（含DEM、DOM、等高線、DLG）的全部流程，根據(jù)項(xiàng)目具體情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置，制作生成符合規(guī)范技術(shù)要求、精度高、質(zhì)量佳的測(cè)繪產(chǎn)品地形圖。

基礎(chǔ)測(cè)繪；機(jī)載LIDAR；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；DEM

1 概況

基礎(chǔ)地理信息作為國(guó)家建設(shè)規(guī)劃中的一項(xiàng)重要資料，其精度、現(xiàn)勢(shì)性要求也越來(lái)越高，原有的更新主要通過(guò)大比例尺圖形進(jìn)行縮編更新，利用航測(cè)法進(jìn)行傳統(tǒng)的更新，利用遙感影像進(jìn)行更新，已不適應(yīng)當(dāng)前信息發(fā)展的需要。通過(guò)航攝獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)及同步高分辨率的航攝影像數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)繪生產(chǎn)，基礎(chǔ)測(cè)繪由原來(lái)的外-內(nèi)作業(yè)模式逐步轉(zhuǎn)化為內(nèi)-外-內(nèi)作業(yè)模式，極大地減少了外業(yè)調(diào)繪工作，也為地形地貌成圖精度達(dá)到了一個(gè)新的高度，不但提高產(chǎn)品精度和精細(xì)程度，同時(shí)滿足了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要。

2 利用LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)繪生產(chǎn)技術(shù)路線

寧夏國(guó)土測(cè)繪院開(kāi)展吳忠測(cè)區(qū)100幅1∶10 000基礎(chǔ)測(cè)繪更新生產(chǎn)項(xiàng)目，于2016年6月至7月使用IMU/GNSS輔助航空攝影技術(shù)航攝，LiDAR數(shù)據(jù)獲取采用AX80航攝儀，影像獲取采用飛思IQ180，機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)同步，航攝影像采用非壓縮Tiff格式，點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用Las格式，POS數(shù)據(jù)采用TXT格式。影像地面分辨率為0.239 m，影像航向重疊范圍為56%～83%，旁向重疊35%～55%。LIDAR點(diǎn)間距為0.993 m，LiDAR旁向重疊范圍為30%～50%。確定從數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、DOM數(shù)據(jù)、數(shù)字線劃圖（DLG）數(shù)據(jù)生產(chǎn)的數(shù)路線，結(jié)合項(xiàng)目基礎(chǔ)測(cè)繪項(xiàng)目生產(chǎn)對(duì)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)DEM生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行探討。

3 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析及處理

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度檢校

在獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要對(duì)攝區(qū)內(nèi)進(jìn)行精度驗(yàn)證和檢校場(chǎng)檢校。精度驗(yàn)證區(qū)的選擇需滿足以下條件：距離CORS基站和檢校場(chǎng)較遠(yuǎn)、精度相對(duì)較弱且外業(yè)控制實(shí)施容易的區(qū)域，不同精度驗(yàn)證區(qū)應(yīng)選在不同地形條件、不同航線且相距較遠(yuǎn)的區(qū)域。選擇精度驗(yàn)證區(qū)面積大約18 km2，每個(gè)攝區(qū)最少選擇3個(gè)驗(yàn)證區(qū)，每個(gè)驗(yàn)證區(qū)選取不少于20個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，以保證精度滿足成圖要求，并出具精度檢測(cè)報(bào)告。驗(yàn)證的內(nèi)容為空間參考系以及位置精度，采用TerraSolid軟件對(duì)樣本數(shù)據(jù)與檢查點(diǎn)進(jìn)行精度比對(duì)，并統(tǒng)計(jì)精度值。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用LiDAR_Suite對(duì)海量機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)多種方式的工程分塊組織和管理，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行航帶拼接、分塊處理，利用軟件宏處理功能，將濾波分類等功能模塊成功加載到主程序框架上，按一定的順序執(zhí)行相關(guān)功能，把它們封裝到一個(gè)宏上面。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行批處理，按照后續(xù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)提供。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)濾波處理

對(duì)分塊后的生產(chǎn)單元點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，采用低點(diǎn)濾除、空中點(diǎn)濾除、Tin加密濾波等預(yù)處理操作自動(dòng)提取地面點(diǎn)。通過(guò)濾波處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)只能處理部分參數(shù)限制外的點(diǎn)數(shù)據(jù)，如果要獲得精細(xì)的地面點(diǎn)，還需要人工編輯。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)人工編輯處理

1）在自動(dòng)分類的基礎(chǔ)上，通過(guò)人機(jī)交互編輯，獲取精細(xì)的地面點(diǎn)。在人機(jī)交互編輯地面點(diǎn)云時(shí)，為了方便觀察點(diǎn)云信息，只顯示地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行渲染操作；在對(duì)某一具體地物無(wú)法判別時(shí)，可以顯示未分類點(diǎn)或剖面顯示來(lái)輔助判別地物。針對(duì)不同地物或地形，運(yùn)用不同編輯工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行修正。

2）對(duì)于復(fù)雜的建筑物地基，使用矢量加點(diǎn)方法修正；對(duì)高于或低于地表的少量點(diǎn)進(jìn)行局部編輯濾波；對(duì)與地面平齊的橋梁或小路漏損、山坡上由于地形及樹(shù)木形成的多毛刺現(xiàn)象，使用局部編輯（平面、曲面或Tin）濾波算法修正。

3）水體對(duì)激光的吸收作用，清澈水系（如江流、湖泊）沒(méi)有回波信息，缺少點(diǎn)云導(dǎo)致水面的不平整現(xiàn)象，采用矢量加點(diǎn)方式修正；江流、湖泊等由于水中船只、漂浮物導(dǎo)致的水面高低不平現(xiàn)象，使用矢量約束方式修正DEM。

3.5 以水域處理為例闡述精細(xì)DEM點(diǎn)云漏洞補(bǔ)測(cè)

靜止水域點(diǎn)云高程相差不超過(guò)DEM中誤差時(shí)，可不進(jìn)行置平處理。高程差大于DEM高程中誤差時(shí)，需要進(jìn)行水域高程置平處理。面積大于4 m×4 m靜止水面，如池塘、湖泊、水庫(kù)應(yīng)進(jìn)行置平處理；寬度大于4 m河流水涯線上的高程值應(yīng)從上游到下游逐漸降低，水涯線同一平面位置水涯線高程值相同；溝渠寬度4 m以內(nèi)的可不作水域點(diǎn)的精細(xì)分類；寬度大于4 m及面狀水域在制作DEM時(shí)均需置平。水面置平時(shí)先畫水涯線，把水涯線內(nèi)的點(diǎn)云分到DSM層，并對(duì)水涯線賦予實(shí)際高程，將具有高程信息的水涯線轉(zhuǎn)為對(duì)象，并按一定距離進(jìn)行內(nèi)插轉(zhuǎn)為特征點(diǎn)，加載特征點(diǎn)到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)DEM實(shí)現(xiàn)置平。

3.6 精細(xì)DEM成果制作生成

利用LiDAR_Suite的DEM生產(chǎn)模塊，對(duì)經(jīng)過(guò)精細(xì)編輯處理的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照生產(chǎn)技術(shù)要求的格網(wǎng)尺寸，進(jìn)行內(nèi)插計(jì)算輸出高精度的DEM成果。

1）簡(jiǎn)單DEM生成

利用制作好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇地面點(diǎn)，格網(wǎng)間距采用1 m，三角網(wǎng)型最小角度采用10。度，邊長(zhǎng)最大值為100 m，邊緣填充使用3個(gè)像素，這樣生成出來(lái)的等高線是純數(shù)學(xué)擬合內(nèi)插的方法，基本不顧及平面坐標(biāo)和高程之間的潛在關(guān)系（如道路垂直坡向的高程相等，靜止水面高程相等且低于周圍點(diǎn)高程）。使等高線產(chǎn)生失真現(xiàn)象，不能真正反映地形特征。

2）顧及語(yǔ)義信息的DEM生成

將語(yǔ)義信息納入點(diǎn)云格網(wǎng)化生成的高程格網(wǎng)具有更高的語(yǔ)義一致性，更適合用于三維可視化和真正攝影像的生成。通過(guò)繪制矢量約束的邊界運(yùn)用自定義的內(nèi)插方式，進(jìn)行高程值約束，在選取的點(diǎn)云類別中只選取地面點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行DEM生成。這樣能得到高精度的模型。

3）顧及接邊問(wèn)題的DEM生成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理通常在分塊后進(jìn)行，在此基礎(chǔ)生成DEM時(shí)，為了保證DEM的準(zhǔn)確性需要考慮DEM各分塊數(shù)據(jù)間的接邊問(wèn)題，視空洞大小對(duì)點(diǎn)云邊界外擴(kuò)處理后再進(jìn)行DEM生成圖。

4 結(jié)語(yǔ)

快速發(fā)展的機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)為獲取高時(shí)空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術(shù)手段，逐漸替代傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量，所獲取的測(cè)量三維數(shù)據(jù)更精確，進(jìn)而獲取地表物體的垂直結(jié)構(gòu)形態(tài)，同時(shí)結(jié)合地物影像，能更好地增強(qiáng)對(duì)地物的判別能力。機(jī)載LiDAR所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，在測(cè)繪、城市建、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)能更好地反映地形地貌的真實(shí)形態(tài)，極大地提高了測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，LiDAR技術(shù)及方法研究推廣意義重大。

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TN919 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0059—02

2017-05-31