一種機載LiDAR點云條帶重疊度自動檢查算法

劉潤東，宋袁龍，彭桂輝

（1.廣西壯族自治區(qū)遙感信息測繪院，廣西 南寧 530000；2.西安煤航技術發(fā)展研究院，陜西 西安 710054）

機載激光雷達（LiDAR）測量技術的出現(xiàn)和發(fā)展，為地理空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，是遙感測繪領域繼GPS以來的又一場技術革命[1]。機載LiDAR以其精確、快速、高效的優(yōu)勢正在逐漸取代傳統(tǒng)攝影測量，作為獲取DEM的主要手段。在機載LiDAR生產(chǎn)過程中，激光航攝數(shù)據(jù)采集是整個項目生產(chǎn)的數(shù)據(jù)源頭，控制好激光航攝數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量才能保證數(shù)據(jù)后處理生產(chǎn)出合格的測繪產(chǎn)品。在這種形勢下，快速、精確的LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法就顯得尤為重要。而目前有關機載LiDAR數(shù)據(jù)處理的研究基本集中于數(shù)據(jù)后處理階段，對前期機載LiDAR數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法的研究少之又少。

機載LiDAR在數(shù)據(jù)采集時，受掃描視場角和航高的限制，一個測區(qū)數(shù)據(jù)的采集必須進行多條航線飛行。這些航線之間需要設置一定的旁向重疊度，以保證數(shù)據(jù)采集能覆蓋整個測區(qū)[2]。CH/T 8024-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術規(guī)范》[3]（下文簡稱“規(guī)范”）在點云數(shù)據(jù)質(zhì)量控制內(nèi)容中明確規(guī)定：點云的重疊度應滿足13%～20%，無絕對漏洞。目前，對點云旁向重疊度的檢查主要采用人工目視和抽采樣量測檢查，存在效率低、易漏檢等問題。

通過調(diào)研點云旁向重疊度檢查工作的實際需求，在對點云條帶數(shù)據(jù)邊緣點分析的基礎上，本文提出了一種點云條帶重疊度自動檢查算法。該方法僅需條帶邊緣數(shù)據(jù)參與計算，減少了海量點云數(shù)據(jù)對計算機內(nèi)存帶來的壓力，適合進行多條點云自動化批處理。

1 基于點云邊緣的條帶重疊度自動檢查

1.1 點云條帶重疊度檢查內(nèi)容

點云條帶的邊界受地形、飛行條件的影響，呈不規(guī)則曲線形態(tài)，相鄰條帶兩個邊界的不同位置均有各自的重疊度。重疊度的計算公式為：

式中，K為條帶間某位置的重疊度；L為該位置沿掃描線方向的條帶寬度；d為該位置重疊區(qū)域的寬度。

規(guī)范中所提到的點云重疊度應理解為最小重疊度，即點云條帶間重疊度的最小值，該值若滿足要求，重疊度則為合格。因此，條帶重疊度檢查就是要計算相鄰條帶間的最小重疊度，并檢測該值是否滿足要求。

1.2 條帶邊界獲取

LiDAR點云數(shù)據(jù)包括多種格式，為了實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，美國攝影測量與遙感協(xié)會下屬的LiDAR委員會發(fā)布了主要面向機載LiDAR數(shù)據(jù)的標準格式LAS[4]。該格式是目前點云處理的通用格式，絕大多數(shù)機載LiDAR作業(yè)后獲取的點云成果均以LAS數(shù)據(jù)提交。LAS格式中定義了條帶邊界點位置標記和激光掃描方向標記，利用這兩種信息均可獲得條帶的邊界點（本文采用推掃式“Z”形激光掃描儀）：

1）條帶邊界點位置標記值為1，則表示該點位于掃描線的末尾，即為條帶邊界點。

2）激光掃描方向記錄了該脈沖發(fā)射時擺鏡的位置，正向為1，反向為0，記錄掃描方向發(fā)生變化的激光腳點即為條帶邊界點。

本文采用第一種方法，遍歷條帶點云數(shù)據(jù)，提取邊界數(shù)據(jù)點，將海量的點云數(shù)據(jù)簡化為兩條邊界點集，再將這些邊界點按照排列順序連接，即可獲得條帶點云的邊界線。

1.3 區(qū)域劃分引導的條帶重疊度計算

獲取相鄰條帶的邊界數(shù)據(jù)后，需對重疊區(qū)進行區(qū)域劃分。本文根據(jù)航飛所獲得的航線數(shù)據(jù)對重疊區(qū)進行帶狀劃分，首先將航線數(shù)據(jù)等間隔劃分為多段，再計算線上每個頂點位置的重疊度。根據(jù)微積分原理，當上述間隔足夠小時，可認為重疊度計算覆蓋了整個重疊區(qū)域，這樣就有效避免了漏檢。

根據(jù)上述內(nèi)插的頂點位置，沿航線作垂線，獲取該垂線的直線方程；利用直線方程計算垂線與當前點云條帶邊界多邊形的交點，記為P1、P2，與相鄰條帶重疊邊界線產(chǎn)生的交點記為P3，如圖1所示。線段P1P2即為該位置條帶的寬度d，線段P2P3為該位置重疊區(qū)的寬度L。根據(jù)式（1）能直接計算得到該位置的旁向重疊度。遍歷航線上的內(nèi)插頂點，采用上述方法可獲得重疊區(qū)域每個位置的重疊度。算法流程見圖2。

圖1 重疊度計算示意圖

圖2 算法流程圖

2 實驗與結(jié)果分析

為了驗證本文所述方法的正確性，在VS2010編程環(huán)境下，使用C++語言對該算法進行了編程實現(xiàn)，并選取廣州某地LiDAR航飛工程采集的實際數(shù)據(jù)進行實驗。

實驗數(shù)據(jù)由Leica ALS 60激光掃描儀采集，預處理后的點云條帶長度約為10 km，點云密度約為6個/m2，單個條帶激光腳點數(shù)量約為50 000 000個。首先對條帶數(shù)據(jù)進行邊界點提取，結(jié)果如圖3所示；然后選取不同的區(qū)域劃分間隔對相鄰兩條數(shù)據(jù)的重疊度進行計算，結(jié)果如圖4所示；最后根據(jù)預設重疊度的合格值判斷該條帶重疊度是否合格。本文對該組2個條帶實驗數(shù)據(jù)的計算時間進行統(tǒng)計，如表1所示。

圖3 點云邊界提取結(jié)果

圖4 重疊度計算結(jié)果

表1 不同參數(shù)的計算時間

實驗結(jié)果表明，本文所述方法能正確計算條帶間的重疊度，計算時間與劃分區(qū)域間隔成反比，但均有較高的計算速度，根據(jù)實際應用經(jīng)驗，一般選取100 m的采樣間隔即可滿足實際質(zhì)檢需求。

3 結(jié) 語

本文提出了一種點云重疊度自動檢查方法，原理簡單，能快速計算并檢查海量點云的重疊度指標，替代了人工目視交互、逐條帶采樣抽查工作，極大地提高了LiDAR航飛數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和驗收工作的效率。同時，該方法也存在一些不足：①檢查對象為擺鏡式激光掃描儀采集的線狀分布激光點，對于其他方式，如旋轉(zhuǎn)棱鏡（圓形掃描）還未涉及；②對于特殊的航飛作業(yè)，如帶狀曲線式飛行路線所采集的條帶數(shù)據(jù)還需進一步改進，這些將是下一步的研究目標。