基于C++與PCL的LAS數(shù)據(jù)讀取及顯示

劉潔

（湖南省公路設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410011）

基于C++與PCL的LAS數(shù)據(jù)讀取及顯示

劉潔

（湖南省公路設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410011）

點云庫PCL（Point Cloud Library）是專門處理點云數(shù)據(jù)的公開庫，LAS則是機載激光雷達（Aiborne LiDAR）的數(shù)據(jù)格式，需專業(yè)軟件進行讀取。由于PCL無法直接讀取LAS數(shù)據(jù)，給基于PCL的點云數(shù)據(jù)處理帶來了不便。為此解析了LAS數(shù)據(jù)格式，在此基礎(chǔ)上使用C++編程讀取LAS數(shù)據(jù)并進行了可視化顯示。以某一區(qū)域LAS數(shù)據(jù)進行試驗，結(jié)果表明程序運行正常，這為后續(xù)基于PCL的點云數(shù)據(jù)處理提供了數(shù)據(jù)源。

C++；點云庫；機載激光雷達；可視化；格式

0 引言

機載激光雷達（Airborne LiDAR，ALiDAR）是一種通過發(fā)射器發(fā)射激光，激光接收器接收反射回的信號來測量地面數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。由于其可快速、大面積、不受環(huán)境影響獲取測區(qū)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，因而在測繪領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。機載激光雷達技術(shù)采集獲取的數(shù)據(jù)為LAS格式，需要專業(yè)軟件讀取點云數(shù)據(jù)。點云庫（Point Cloud Library，PCL）是專門用來處理點云數(shù)據(jù)的開源點云庫，其默認數(shù)據(jù)格式為PCD，無法直接讀取LAS數(shù)據(jù)[3,4]。若使用PCL來處理LAS數(shù)據(jù)，需將LAS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCD格式，才可進行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。目前常見的有使用MATLAB語言、C++、C#等編程讀取LAS數(shù)據(jù)，但極少將其與PCL進行關(guān)聯(lián)[5～8]。

本文在分析LAS數(shù)據(jù)格式及PCD格式基礎(chǔ)上，在 Visual Studio 2013搭建好的平臺上使用C++編程讀取LAS數(shù)據(jù)，最后進行可視化顯示。以某一地區(qū)采集的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)讀取與可視化顯示試驗。試驗結(jié)果表明，本程序可以正確讀取LAS數(shù)據(jù)并進行顯示，這為后續(xù)基于PCL的點云數(shù)據(jù)處理提供了數(shù)據(jù)源。

1 LAS數(shù)據(jù)格式

完整的LAS數(shù)據(jù)文件包括三大部分，分別為公共頭文件、變長記錄和點記錄區(qū)[6]。LAS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式經(jīng)過若干次修改，目前已發(fā)布的版本有1.0、1.1、1.2、1.3、1.4等系，每一版本均包括上述三部分。下面以1.0版本的LAS數(shù)據(jù)格式進行講解。

1.1 公共頭文件

公共頭文件主要包括LAS數(shù)據(jù)的基本信息，如采集數(shù)據(jù)日期、儀器，點數(shù)等。表1所示為公共頭文件包含的幾項重要參數(shù)，以及每一項對應(yīng)的類型。

表1 公共頭文件

在編程讀取數(shù)據(jù)過程中，要特別注意幾項參數(shù)。如主版本號與副版本號，其對應(yīng)了LAS數(shù)據(jù)的版本號。文件頭長度，其表示公共頭文件所占的字節(jié)數(shù)，不同版本其所占字節(jié)數(shù)不一樣。如在1.0版本中，其長度為227。

在C++中可用read()函數(shù)按照字節(jié)進行讀取[9]，如下面代碼所示：

ifstream infname(str,ios::binary|ios::in);

infname.read((char*)&public_header_block.file_ signature,sizeof(public_header_block.file_signature));

該段代碼是創(chuàng)建infname文件流對象，然后按字節(jié)數(shù)讀取LAS文件，并將讀取內(nèi)容返回，如本文此次會返回文件標(biāo)簽“LASF”。

按照上面的讀取方法，即可完成公共頭文件的讀取。

1.2 變長記錄和點記錄區(qū)

變長記錄主要包括用戶ID，記錄ID以及擴展域，而點數(shù)據(jù)記錄域主要記錄點的X、Y、Z坐標(biāo)值及其他信息。表2為1.0版本的點數(shù)據(jù)記錄區(qū)。

表2 點記錄區(qū)域

其中X、Y、Z坐標(biāo)需要按照公式（1）計算：

式中：Xcoordinate、Ycoordinate、Zcoordinate分別為點的地理坐標(biāo)；Xrecord、Yrecord、Zrecord分別為點數(shù)據(jù)記錄區(qū)中記錄點坐標(biāo)；Xscale、Yscale、Zscale分別為頭部文件 X、Y、Z的比例因子；Xoffset、Yoffset、Zoffset分別為X、Y、Z的偏移量。

在點記錄區(qū)域，可以根據(jù)點的個數(shù)，使用循環(huán)語句讀取點坐標(biāo)，如下所示：

for(int i=0;i

{

infname.read((char*)&las3.x,sizeof(las3.x));

infname.read((char*)&las3.y,sizeof(las3.y));

infname.read((char*)&las3.z,sizeof(las3.z));

infname.read((char*)&tem,sizeof(tem));

outfname<

}

該段斷碼使用for循環(huán)語讀取每一點的X、Y、Z坐標(biāo)，并將坐標(biāo)值保存到文本中，這樣可以直接用文本查看數(shù)據(jù)。

2 PCD數(shù)據(jù)及點云可視化

點云庫PCL是包含點云數(shù)據(jù)處理中常見算法的公開庫源，但其默認的數(shù)據(jù)格式為PCD，因此需要將LAS中讀取的點坐標(biāo)格式轉(zhuǎn)換成PCD格式，再進行數(shù)據(jù)處理。

2.1 PCD數(shù)據(jù)格式

PCD數(shù)據(jù)格式包括頭文件和點數(shù)據(jù)區(qū)域兩部分，其頭文件格式相對LAS要簡單。頭文件包括PCD數(shù)據(jù)版本，每個點的維度、類型及點的個數(shù)，獲取點的視點等信息。圖1為PCD 0.7版本數(shù)據(jù)頭文件格式，其中該數(shù)據(jù)文件包括656 487個點，每個點均包含X、Y、Z坐標(biāo)。

圖1 PCD數(shù)據(jù)頭文件格式

2.2 點云可視化顯示

在PCL中，其可視化工具為VTK（Visualization Toolkit），在將LAS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PCD格式文件后，即可以利用VTK顯示點云，實現(xiàn)可視化。其部分代碼如下[10]：

pcl::PointCloud

pcl::io::loadPCDFile(str,*cloud);

pcl::visualization::PCLVisualizer viewer("visualization");

viewer.setBackgroundColor(0,0,0);

pcl::visualization:PointCloudColorHandlerCustom< pcl::PointXYZ＞single_color(cloud,0,255,0);

viewer.addPointCloud

該段代碼是創(chuàng)建點云對象指針cloud，再利用loadPCD函數(shù)將點云進行加載，同時創(chuàng)建可視化窗口viewer，并將可視化窗口背景顏色設(shè)置為黑色，點云顏色設(shè)置成綠色。

3 LAS數(shù)據(jù)讀取及顯示試驗

本文選取2016年期間采集的某一測區(qū)數(shù)據(jù)進行試驗，在Visual Studio 2013平臺上采用C++語言進行編寫，同時在工程中配置好PCL開發(fā)環(huán)境。其中保存在文本中點坐標(biāo)部分數(shù)據(jù)如圖2所示，讀取LAS數(shù)據(jù)文件的部分頭文件信息如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)讀取保存

圖3 頭文件部分信息

最后將采集的點數(shù)據(jù)進行可視化的點云結(jié)果如圖4所示，可以通過鼠標(biāo)滾動、拖動，變換視角來瀏覽該區(qū)域數(shù)據(jù)。

圖4 LAS點云數(shù)據(jù)可視化

4 結(jié)語

本文主要介紹了LAS數(shù)據(jù)格式及PCD數(shù)據(jù)格式，并用C++編程進行讀取、轉(zhuǎn)換及可視化LAS數(shù)據(jù)。基于C++的LAS數(shù)據(jù)讀取，可以快速讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，為后面基于PCL的點云數(shù)據(jù)處理研究，以及基于LAS數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)來源，具有重要意義。

[1]駱云飛，王書民.機載LiDAR系統(tǒng)在道路勘測中的數(shù)據(jù)獲取及應(yīng)用[J].測繪通報，2012（S1）：362-364,371.

[2]范正岳，徐茂文.基于三維激光掃描的露天礦山儲量測量研究[J].礦山測量，2014(4)：10-11.

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[9]譚浩強.C++程序設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：439-453.

[10]朱德海，郭浩，蘇偉.點云庫PCL學(xué)習(xí)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012：133-158.

TP751

A

1009-7716（2017）08-0272-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.086

2017-04-01

劉潔（1969-），男，湖南長沙人，工程師，從事工程測量工作。