機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)LAS格式解析和快速提取研究

姚松濤，邢艷秋，李夢穎，閆燦

(東北林業(yè)大學(xué)森林作業(yè)與環(huán)境研究中心，哈爾濱 150040)

機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)LAS格式解析和快速提取研究

姚松濤，邢艷秋*，李夢穎，閆燦

(東北林業(yè)大學(xué)森林作業(yè)與環(huán)境研究中心，哈爾濱 150040)

機(jī)載全波形激光雷達(dá)(LiDAR)數(shù)據(jù)的提取是其后續(xù)分析和處理的首要工作，為快速提取機(jī)載全波形LiDAR文件數(shù)據(jù)，本文以研究區(qū)內(nèi)采集的Leica ALS60激光雷達(dá)系統(tǒng)記錄的LAS1.3格式全波形文件數(shù)據(jù)為研究對象，以IDL8.3為編程開發(fā)平臺，在對LAS1.3全波形文件格式解析的基礎(chǔ)上，分析機(jī)載全波形LiDAR文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織，判斷出全波形文件中記錄的全波形數(shù)據(jù)和點(diǎn)數(shù)據(jù)各自的存儲位置，然后應(yīng)用內(nèi)存映射文件方法，映射出全波形文件數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的映射標(biāo)識，進(jìn)而得到文件映射內(nèi)核對象，之后結(jié)合Leica ALS60 LAS1.3全波形文件的主要字段參數(shù)值與全波形文件數(shù)據(jù)提取順序流程，結(jié)果表明本研究方法適合于LAS1.3二進(jìn)制全波形大文件數(shù)據(jù)的讀取且效率很高，完成其全波形文件中波形數(shù)據(jù)的快速提取研究與可視化顯示，為全波形數(shù)據(jù)的波形分解和應(yīng)用工作奠定基礎(chǔ)。

機(jī)載激光雷達(dá)；全波形數(shù)據(jù)；格式解析；快速提取

0 引言

激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，LiDAR)作為一種主動式遙感技術(shù)，通過發(fā)射激光脈沖和接收返回脈沖的方式，來獲取高精度的空間結(jié)構(gòu)和地形信息[1-2]。隨著數(shù)據(jù)存儲能力和處理速度的提高，機(jī)載LiDAR系統(tǒng)目前能以很小的等時間間隔按先后順序記錄存儲著整個返回脈沖，為一系列隨時間變化的返回信號，這些返回信號被稱為全波形/波形數(shù)據(jù)[3-4]。

通過對全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，能夠檢測到更多的目標(biāo)物特征信息，且全波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到的點(diǎn)云數(shù)量較系統(tǒng)自動獲取的點(diǎn)云數(shù)量具有一定幅度的增加，精度會有所提高[5-7]。對全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的關(guān)鍵技術(shù)包括全波形數(shù)據(jù)文件的讀取與波形分解等[8-9]，其中全波形文件的讀取是首要前提。雖然Andre Samberg曾在2007年的ISPRS會議上解析并比較了多種版本的LAS文件格式，國內(nèi)的張靖[10]等在對LAS格式進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上，針對LAS變長記錄的擴(kuò)展域，介紹了一些實(shí)際的應(yīng)用，劉春等[11]在對LAS格式進(jìn)行解析的基礎(chǔ)上，提出了讀取LAS1.0格式點(diǎn)云文件的方法并檢驗了LAS格式的效率，趙自明等[12]提出了采用內(nèi)存映射技術(shù)對點(diǎn)云文件進(jìn)行快速讀取的思想，學(xué)者相繼對從不同方面對LAS格式不同版本文件進(jìn)行了分析，但是沒有涉及LAS1.3格式全波形文件及其全波形數(shù)據(jù)信息的，總體而言，相關(guān)研究的報道相對較少。本研究基于Leica ALS60激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)時記錄存儲的全波形文件，進(jìn)行了LAS1.3激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的解析和快速讀取研究，為進(jìn)一步的全波形數(shù)據(jù)分析和處理工作奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇內(nèi)蒙古自治區(qū)額爾古納市東南部的依根農(nóng)林交錯區(qū)作為研究區(qū)域，其東與牙克石市為鄰，東南與陳巴爾虎旗相連，西和西南與拉布大林農(nóng)牧場接壤，北與三河馬場交界，東北與根河市毗鄰。海拔高度為600 ～ 700 m，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有較復(fù)雜的山岳地形地貌特征。地理位置坐標(biāo)為120°36′50.48″E ～ 120°52′56.53″E，50°21′11.08″N～50°24′32.00″N。植物資源以天然次生白樺林(Betulaplatyphylla)為主，混生樹種包括落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等，林下灌木層主要由石棒繡線菊(Spiraeamedia)、筐柳(Salixlinearistipularis)等組成。

1.2 機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)

本研究機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)采集時間為2012年8月26日，天氣狀況良好，采用的飛機(jī)型號為運(yùn)5，相對飛行高度1 300 m，搭載的LiDAR掃描系統(tǒng)為Leica ALS60，采用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS84，投影坐標(biāo)系統(tǒng)為UTM。Leica ALS60系統(tǒng)最高掃描頻率為200 kHz，最大視場角為75°。每個激光脈沖在地面上所形成的光斑直徑大約為0.2～0.3 m，全波形數(shù)據(jù)是由采樣器對接收望遠(yuǎn)鏡收集后的返回脈沖進(jìn)行數(shù)字化采樣處理形成，記錄了激光光斑內(nèi)目標(biāo)物對應(yīng)的完整波形數(shù)據(jù)[13-14]。采集的全波形數(shù)據(jù)使用的文件類型為LAS1.3，以二進(jìn)制格式存儲，記錄了接收的完整波形數(shù)據(jù)，包括采樣間隔和實(shí)時記錄的方位及波形特征信息等。在進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)用時，需將原始數(shù)據(jù)的二進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)格式，在轉(zhuǎn)換過程中需要借助一定的編程語言和方法來實(shí)現(xiàn)[15-16]。

2 格式解析與提取方法

2.1 Leica ALS60波形文件的格式解析

本研究Leica ALS60系統(tǒng)采集的LAS1.3格式全波形文件具有很好的嚴(yán)謹(jǐn)性和開放性，存儲全波形數(shù)據(jù)情況下包含4個分區(qū)，分別為公共頭塊區(qū)、變長記錄區(qū)、點(diǎn)記錄區(qū)和擴(kuò)展變長記錄區(qū)。存儲全波形數(shù)據(jù)的LAS1.3格式的組成結(jié)構(gòu)見表1。

表1 LAS1.3格式組成Tab.1 LAS1.3 format

其中所有數(shù)據(jù)都是小端字節(jié)序格式，即低位字節(jié)放在內(nèi)存的低地址端，高位字節(jié)放在內(nèi)存的高地址端。公共頭塊區(qū)是一個公共區(qū)，后面緊接著變長記錄區(qū)，公共頭塊區(qū)包含一些描述數(shù)據(jù)整體情況的記錄，比如點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄個數(shù)、坐標(biāo)邊界等。變長記錄區(qū)包含了一些變長類型數(shù)據(jù)，包括投影信息、元數(shù)據(jù)信息、波形數(shù)據(jù)包信息和用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)等，如果包含波形數(shù)據(jù)包的話，那么它一定位于所有點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄的末尾，其被放置在該處是為了便于對它分離或?qū)嶓w化，且該記錄是一個擴(kuò)展變長記錄。擴(kuò)展變長記錄的存儲格式為無符號超長整型，允許存儲比變長記錄更多的信息。點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄區(qū)存儲著點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄的相關(guān)信息，以及全波形數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，此外擴(kuò)展變長記錄區(qū)有且僅有一個，位于所有點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄區(qū)之后。其中任何不需要或不用的字段都被賦為0值或空字符。解析出LAS1.3格式文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織情況如圖1所示。

圖1 LAS1.3文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)組織Fig.1 Data structure and data organization of LAS1.3 file

通過上述內(nèi)容可知，Leica ALS60 LAS1.3格式全波形文件在存儲全波形數(shù)據(jù)的同時也存儲點(diǎn)數(shù)據(jù)。因此，判斷全波形數(shù)據(jù)和點(diǎn)數(shù)據(jù)各自的存儲位置對全波形數(shù)據(jù)的提取十分重要，其中與全波形數(shù)據(jù)提取相關(guān)的重要參數(shù)如下：

(1)公共頭塊區(qū)的“點(diǎn)數(shù)據(jù)格式ID”字段，其值用來判斷文件中是否包含全波形數(shù)據(jù)；“波形數(shù)據(jù)包記錄起始位置”字段，其值表示從文件起始處到擴(kuò)展變長記錄文件頭的字節(jié)數(shù)。

(2)變長記錄區(qū)的“用戶ID”和“記錄ID”字段。若讀取的“用戶ID”為“LASF_Spec”同時“記錄ID”值在[100，356]區(qū)間時，則該變長記錄里包含有波形包描述器，它存儲著關(guān)鍵的波形數(shù)字化信息，如波形采樣位數(shù)、波形壓縮類型、采樣數(shù)、采樣時間間隔、數(shù)字化增益值和數(shù)字化偏移值等信息。

(3)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄區(qū)的“波形包描述器索引”，“波形數(shù)據(jù)偏移量”和“波形數(shù)據(jù)包大小”字段。由于LAS1.3文件格式能夠支持255個波形包描述器，則某一點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的波形包描述器是由波形包描述器索引值確定的，它指向著描述該點(diǎn)數(shù)據(jù)波形信息的具體用戶定義記錄，且其值為0時表示該點(diǎn)數(shù)據(jù)沒有對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。同時LAS1.3格式文件中的波形數(shù)據(jù)包存儲在擴(kuò)展變長記錄里，若文件中存儲有波形數(shù)據(jù)包，那么它在文件中的絕對起始位置為波形數(shù)據(jù)包記錄起始位置值與波形數(shù)據(jù)偏移量值的和。其中，波形數(shù)據(jù)偏移量表示擴(kuò)展變長記錄里波形數(shù)據(jù)包相對于擴(kuò)展變長記錄文件頭起始位置的字節(jié)數(shù)。

2.2 波形數(shù)據(jù)快速提取方法

通過Leica ALS60 LAS1.3全波形文件的格式解析，并根據(jù)計算機(jī)系統(tǒng)的訪問內(nèi)存速度比訪問硬盤速度快很多的原理，在讀取全波形數(shù)據(jù)時如果較多訪問內(nèi)存而較少訪問硬盤，那么讀取速度將會快速提升?；谶@種思路，本研究借助IDL編程語言使用內(nèi)存映射文件方法[17-18]實(shí)現(xiàn)研究區(qū)Leica ALS60 LAS1.3全波形數(shù)據(jù)的快速提取。內(nèi)存映射文件方法在操作系統(tǒng)中保留一個地址空間區(qū)域，并將物理存儲器添加到該區(qū)域，該物理存儲器是指硬盤上的某個文件，文件一旦被映射就可以直接訪問到它并進(jìn)行文件的讀取。本研究使用內(nèi)存映射文件方法讀取LAS1.3全波形文件的操作步驟為：

(1)創(chuàng)建一個文件內(nèi)核對象，用以標(biāo)識映射到內(nèi)存的全波形文件。

(2)創(chuàng)建一個文件映射內(nèi)核對象，用以通知操作系統(tǒng)該文件的大小以及該文件的訪問方式。

(3)將文件映射對象全部映射到進(jìn)程地址空間中，此時整個文件被映射成一個視圖，映射函數(shù)會返回指向該文件視圖在進(jìn)程地址空間中的起始地址指針。

(4)進(jìn)行全波形數(shù)據(jù)讀取流程圖(圖2)的所有操作，其中，將流程中所有的讀取操作替換為獲取映射文件位置指針的Point_Lun函數(shù)操作，主要為：

①讀取公共頭塊，獲取“點(diǎn)數(shù)據(jù)包記錄格式ID”、“波形數(shù)據(jù)包記錄起始位置”字段值等參數(shù)，用于判斷文件中是否存儲全波形數(shù)據(jù)。

②根據(jù)公共頭塊的“變長記錄個數(shù)”字段逐條讀取變長記錄，并判斷各變長記錄頭里的“用戶ID”和“記錄ID”字段，如果“用戶ID”為“LASF_Spec”且“記錄ID”的值在[100，356]區(qū)間內(nèi)，則該變長記錄的記錄區(qū)內(nèi)包含波形包描述器，根據(jù)波形包描述器讀取該波形采樣個數(shù)、采樣時間間隔等信息；如果這兩字段為其他內(nèi)容，則跳過該變長記錄的記錄區(qū)，繼續(xù)讀取下一個變長記錄并進(jìn)行相同的操作，直到大于變成記錄個數(shù)時結(jié)束；

③之后根據(jù)公共頭塊的點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄格式ID為4或5時，結(jié)合“點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄個數(shù)”字段逐條循環(huán)讀取點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄及對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，如果點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄里的“波形包描述器索引”字段值為0，則該點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄沒有對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，直接讀取下一條點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄；如果此字段值在[1，255]區(qū)間內(nèi)，則該點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄包含對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，接著讀取之后的“波形數(shù)據(jù)偏移量”，“波形數(shù)據(jù)包大小”，及“X(t)，Y(t)，Z(t)”等字段值，為后續(xù)的波形數(shù)據(jù)包讀取及波形分析處理提供信息。

④讀取波形數(shù)據(jù)包，將指針由文件起始位置偏移到其絕對起始位置處，結(jié)合波形數(shù)據(jù)包大小讀取波形數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)包在文件中的絕對起始位置為波形數(shù)據(jù)包記錄起始位置值與波形數(shù)據(jù)偏移量值的和。

⑤讀取全波形數(shù)據(jù)振幅值，根據(jù)波形包描述器索引值以及波形采樣個數(shù)、采樣間隔等信息，讀取對應(yīng)的原始波形振幅值。繼續(xù)讀取下一個點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行前三步操作，直到大于點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄個數(shù)時結(jié)束，從而完成全波形數(shù)據(jù)的快速讀取。

使用完內(nèi)存映射文件方法后，接下來就是清除它的步驟。

(5)從進(jìn)程的地址空間撤消文件映射內(nèi)核對象的映射。

(6)關(guān)閉文件映射內(nèi)核對象。

(7)關(guān)閉文件內(nèi)核對象。

圖2 全波形數(shù)據(jù)讀取流程圖Fig.2 Flow chart of reading full-waveform data

原始全波形文件以二進(jìn)制形式提供，不被一般軟件識別和應(yīng)用，在實(shí)際編碼中，首先把原始二進(jìn)制文件映射到進(jìn)程地址空間中，然后把文件復(fù)制到事先定義的數(shù)組變量內(nèi)存空間中，最后在內(nèi)存中生成ASCII文件，并把ASCII文件以十進(jìn)制的形式輸出以便于顯示，為后續(xù)全波形數(shù)據(jù)的分析和處理奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)果分析

本研究按照上述內(nèi)容和方法借助IDL8.3平臺實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)采集的機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)的讀取，并以點(diǎn)云和波形的方式顯示出來，結(jié)果見表2和圖3(某一條波形數(shù)據(jù))。表2中的X0，Y0，Z0表示波形數(shù)據(jù)起始點(diǎn)(起始點(diǎn)時間為0，單位為皮秒)的三維大地坐標(biāo)，X(t0)，Y(t0)，Z(t0)表示波形數(shù)據(jù)起始點(diǎn)的坐標(biāo)參量信息，它們是后續(xù)全波形數(shù)據(jù)波形點(diǎn)云化的重要解算參數(shù)。此外，不僅順利讀取了全波形數(shù)據(jù)，同時還獲取了與全波形數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)相關(guān)的參數(shù)，如采樣的起始時間、結(jié)束時間、采樣個數(shù)和采樣間隔等，這些數(shù)據(jù)能夠為后續(xù)的波形分解和分析利用提供基礎(chǔ)參數(shù)信息。

表2 激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息Tab.2 LIDAR point cloud data information

圖3 本實(shí)例程序顯示的波形Fig.3 The waveform of this example program

通過圖3讀取結(jié)果可知波形采樣數(shù)為128，采樣間隔為1ns，以及對應(yīng)的原始波形振幅值，相較于傳統(tǒng)離散回波LiDAR，全波形LiDAR存儲整個返回波形，每一個波形分量對應(yīng)著不同的目標(biāo)物垂直結(jié)構(gòu)，是后續(xù)波形處理和應(yīng)用的關(guān)鍵。通過對原始采用內(nèi)存映射文件方法來訪問硬盤上的數(shù)據(jù)文件，可以不必對文件執(zhí)行I/O操作，也可不必對文件內(nèi)容進(jìn)行緩存，因而該方法用于二進(jìn)制大文件數(shù)據(jù)的讀取，效率很高。至此，機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)格式解析和快速提取流程結(jié)束，以便全波形數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和應(yīng)用。

4 結(jié)論與討論

機(jī)載全波形LiDAR系統(tǒng)不僅能記錄目標(biāo)物的三維坐標(biāo)信息，還能存儲整個返回波形，從而可以按照相應(yīng)研究領(lǐng)域?qū)θㄐ螖?shù)據(jù)進(jìn)行處理和使用。LAS1.3格式作為LiDAR數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式也逐漸發(fā)展成熟，其結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，便于擴(kuò)展。

由于讀取全波形數(shù)據(jù)文件需要專業(yè)軟件，本研究以采集的LAS1.3全波形文件為研究數(shù)據(jù)，在其格式解析的基礎(chǔ)上，以IDL8.3作為開發(fā)平臺，應(yīng)用內(nèi)存映射文件方法實(shí)現(xiàn)了文件中的全波形數(shù)據(jù)的快速讀取和可視化顯示，為后續(xù)的波形分解與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。由于受到全波形數(shù)據(jù)本身條件等原因的限制，本研究沒有對讀取出的波形特征信息和能量信息進(jìn)行詳細(xì)的討論，將在后續(xù)的工作中進(jìn)行研究和分析處理。

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Research on LAS Format Parsing and Fast Extraction ofAirborne Full-waveform LiDAR Data

Yao Songtao，Xing Yanqiu*，Li Mengying，Yan Can

(Center for Forest Operation and Environment，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang，150040，China；)

Full-waveform extraction airborne light detection and ranging (LiDAR) priority data is processed and its subsequent analysis，in order to quickly extract airborne LiDAR full-waveform data file，LAS1.3 paper study area acquired Leica ALS60 recording laser radar system full waveform data file format research data to IDL8.3 programming development platform，based on the full-wave file format parsing LAS1.3 analyzed on-board data structure and organize the full waveform LiDAR data file，determines the full waveform File records in the full waveform data and point data storage location，and then apply the memory mapping file method，mapping the full waveform file data in memory mapping logo，and then get the file mapping kernel object，followed by Leica ALS60 LAS1.3 the main field of document parameters with the waveform data of full waveform file extraction process sequence，study results show that the method is suitable for large full waveform LAS1.3 binary file data reading and high efficiency，rapid completion of its full-wave waveform data file extraction and visual display，the waveform decomposition and lay-yl application work full waveform data.

AirborneLiDAR；Full-waveform data；Formatparsing；Fast extraction

2017-04-19

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201504319)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB733404)

姚松濤，碩士研究生。研究方向：機(jī)載全波形激光雷達(dá)。

*通信作者：邢艷秋，博士，教授。研究方向：森工管理與林業(yè)信息工程。E-mail：yanqiuxing@nefu.edu.cn

姚松濤，邢艷秋，李夢穎，等.機(jī)載全波形LiDAR數(shù)據(jù)LAS格式解析和快速提取研究[J].森林工程，2017，33(4)：64-68.

S 771.8

A

1001-005X(2017)04-0064-05