基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云制作DEM及等高線(xiàn)的方法

秦佩陽(yáng) 林書(shū)范 張道輕

（1.河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003；2.?？诤肟钡乩硇畔⒂邢薰?海南 ?？?570226;3.河南省征地儲(chǔ)備中心,河南 鄭州 450016）

1 引言

機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)是集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（IMU）技術(shù)于一體的空間測(cè)量系統(tǒng)[1]，不受日照和天氣條件限制，能全天候?qū)Φ赜^測(cè)。機(jī)載激光雷達(dá)傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹(shù)林遮擋，獲取地面的高精度三維信息，在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源勘查、森林調(diào)查、地形測(cè)繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以此為基礎(chǔ)制作的DEM 數(shù)據(jù)具有表達(dá)地貌細(xì)微、精度高的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外獲取DEM 的主要手段。本文基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云簡(jiǎn)單分類(lèi)，利用軟件對(duì)其進(jìn)行精細(xì)分類(lèi)后獲得地面點(diǎn)點(diǎn)云，制作高精度DEM，并對(duì)高精度DEM 反生出來(lái)的等高線(xiàn)進(jìn)行處理，以滿(mǎn)足萬(wàn)分之一制圖要求。

2 總體技術(shù)方案

對(duì)LiDAR 點(diǎn)云預(yù)處理后的地表點(diǎn)進(jìn)行人工精細(xì)分類(lèi)，提取精細(xì)分類(lèi)后地面點(diǎn)云進(jìn)行高精度DEM 的構(gòu)建與輸出；針對(duì)不同地形DEM 反生的等高線(xiàn)，經(jīng)過(guò)綜合處理，滿(mǎn)足地形圖制圖要求。具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 高精度DEM及等高線(xiàn)處理流程圖

3 點(diǎn)云精細(xì)分類(lèi)及高精度DEM 構(gòu)建

3.1 點(diǎn)云分類(lèi)軟件和精細(xì)分類(lèi)方法

3.1.1 TerraSolid 軟件介紹

TerraSolid 系列軟件是第一套商業(yè)化的LiDAR 數(shù)據(jù)處理軟件，基于MicroStation 開(kāi)發(fā)運(yùn)行[2]。利用TerraSolid 中 的TerraScan、TerraModel 模 塊 處 理LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)濾波、手動(dòng)精細(xì)分類(lèi)，設(shè)定閾值，去除各種噪聲和誤差點(diǎn)，尋找地面點(diǎn)。提取地面點(diǎn)是最重要的操作步驟，即濾掉非地面點(diǎn)的回波信號(hào)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如房屋、植被、交通工具及橋梁等，以得到更加貼近地表的地面點(diǎn)。

3.1.2 濾波基本原理

濾波的基本原理是基于真實(shí)地面與地物高程差異，針對(duì)相鄰點(diǎn)或點(diǎn)集之間的高程差，通過(guò)構(gòu)建“網(wǎng)格”范圍并采取一定的規(guī)則進(jìn)行運(yùn)算，把混合在一起的屬于不同對(duì)象的點(diǎn)區(qū)分開(kāi)來(lái)，特別是地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)。

3.1.3 點(diǎn)云預(yù)處理

測(cè)量過(guò)程中因儀器誤差和被測(cè)對(duì)象的物理特性不免會(huì)混有噪聲點(diǎn)，相比激光點(diǎn)總數(shù)，噪聲點(diǎn)數(shù)目極少，但多數(shù)濾波算法都是以高程突變?yōu)槔碚撘罁?jù)進(jìn)行濾波，最低點(diǎn)默認(rèn)為地面點(diǎn)，如果噪聲點(diǎn)沒(méi)有被去除將影響濾波效果，因此在精細(xì)分類(lèi)前去除噪聲點(diǎn)非常必要。

3.1.4 點(diǎn)云精細(xì)分類(lèi)方法

經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)含地面點(diǎn)、植被點(diǎn)、建筑物點(diǎn)、水域點(diǎn)、橋點(diǎn)等，原始點(diǎn)云均在同一數(shù)據(jù)層。精細(xì)分類(lèi)是將這些點(diǎn)分類(lèi)歸屬至預(yù)先定義的正確數(shù)據(jù)層中，如地面點(diǎn)放在ground 層、植被點(diǎn)放在vegetation 層、建筑物點(diǎn)放在building 層等，其中重點(diǎn)是分出地面點(diǎn)，生成高精度DEM。常用濾波分類(lèi)方法有數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法、基于地形坡度法和基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法。

（1）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法

Lindenberger 最早提出采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)法對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算，然后通過(guò)自回歸過(guò)程改善開(kāi)運(yùn)算結(jié)果，自回歸運(yùn)算要求激光點(diǎn)有序排列，適合處理有序的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)[3]。目前，形態(tài)學(xué)算法應(yīng)用于許多圖形圖像處理軟件，這些軟件在數(shù)據(jù)處理時(shí)常將數(shù)據(jù)規(guī)格格網(wǎng)化，從而導(dǎo)致信息損耗，特別是在地面點(diǎn)和地物點(diǎn)間進(jìn)行內(nèi)插，得出的高程值在地面點(diǎn)與地物點(diǎn)之間，讓內(nèi)插的高程數(shù)據(jù)相比實(shí)際數(shù)據(jù)更平滑。但在地形特征信息明顯區(qū)域，如山頂、山脊線(xiàn)、山谷線(xiàn)等處，這一方法將弱化地形特征信息，使濾波分類(lèi)更困難。

（2）基于地形坡度法

該算法基本思想是基于非地形坡度引起的兩相鄰點(diǎn)與高程差異有關(guān)的坡度值，認(rèn)定其中較高的點(diǎn)是非地面點(diǎn)。在高差一定的情況下，隨著兩點(diǎn)間距離的減小，較高點(diǎn)是地面點(diǎn)的可能性也減小。該方法根據(jù)一個(gè)可接受的兩點(diǎn)間的高程差，構(gòu)造兩點(diǎn)間的距離函數(shù)的函數(shù)。因此，兩點(diǎn)之間的閾值Δhmax（d）可以利用兩點(diǎn)間的距離來(lái)定義，即濾波函數(shù)如公式（1）所示。

公式（1）中，s 是可容許的最大地形坡度百分?jǐn)?shù)；d 是兩點(diǎn)之間的距離；δz 為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

（3）基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法

該算法濾波的主要流程是先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理（分塊大小通常以測(cè)區(qū)最大地物尺寸為準(zhǔn)），然后在塊中選取一些高程較低的點(diǎn)，作為原始地面點(diǎn)用于構(gòu)建初始三角網(wǎng)[4]。構(gòu)建好初始三角網(wǎng)后對(duì)非地面點(diǎn)P 進(jìn)行判斷，如果該點(diǎn)到其對(duì)應(yīng)三角形的距離d 以及點(diǎn)到三角形三個(gè)頂點(diǎn)之間的角度α、β、γ 均小于給定的閾值（如圖2 所示），那么該點(diǎn)為地面點(diǎn)，將該點(diǎn)加入初始地面點(diǎn)集中并重新構(gòu)建TIN。然后繼續(xù)對(duì)剩余點(diǎn)進(jìn)行判斷，經(jīng)過(guò)不斷迭代，遍歷完所有的點(diǎn)，直至待判斷點(diǎn)集中不再出現(xiàn)滿(mǎn)足距離與角度閾值的點(diǎn)。

TerraSolid 軟件中的TerraScan 模塊對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的濾波采用的就是基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法，通過(guò)不斷建立三角網(wǎng)的過(guò)程篩選出地面點(diǎn)。

3.2 構(gòu)建高精度DEM

利用TerraScan 精細(xì)分類(lèi)后，將關(guān)鍵地面點(diǎn)（Ground）、水點(diǎn)（Water）作為特征點(diǎn)，帶有高程信息的面狀水域范圍線(xiàn)和河流邊線(xiàn)作為特征線(xiàn)，采用雙線(xiàn)性多項(xiàng)式內(nèi)插方法構(gòu)建規(guī)則三角網(wǎng)，從而生產(chǎn)高精度DEM（如圖3 所示）。

圖2 不規(guī)則三角網(wǎng)濾波算法中的參數(shù)

圖3 高精度DEM

4 DEM 反生等高線(xiàn)及綜合處理

4.1 DEM 反生的曲線(xiàn)存在的問(wèn)題

地形圖制圖要求等高線(xiàn)滿(mǎn)足精度的同時(shí)，曲線(xiàn)光滑，但作業(yè)中DEM 反生的等高線(xiàn)，尤其是平地1 米等高距的等高線(xiàn)存在抖動(dòng)、鋸齒狀、尖銳角、綜合取舍難、主次難分的情況（如圖4 所示），需作業(yè)人員進(jìn)行分析。

圖4 初始反生的等高線(xiàn)

4.2 MapMatrix 中DEM 編輯功能介紹

利用航天遠(yuǎn)景MapMatrix 中的DEM 編輯模塊對(duì)原始DEM 進(jìn)行局部平滑或全局平滑，根據(jù)不同地形設(shè)定不同的平滑度（1 ～12）（如圖5 所示），對(duì)平地可以適當(dāng)加大平滑度，以滿(mǎn)足精度和制圖要求，丘陵山地不能平滑太厲害,以免山頭被消掉。

DEM 平滑后進(jìn)行精度驗(yàn)證，反生曲線(xiàn)和原始曲線(xiàn)對(duì)比不能超過(guò)半個(gè)等高距。經(jīng)過(guò)上述處理后，圖6 顯示，處理前后等高線(xiàn)中心位置沒(méi)有發(fā)生偏移，主次分明，美觀圓滑，滿(mǎn)足制圖要求。

圖5 DEM平滑界面

圖6 DEM平滑前后等高線(xiàn)精度對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)載LiDAR 點(diǎn)云制作DEM 及等高線(xiàn)的方法可以對(duì)局部地貌進(jìn)行有效處理，與傳統(tǒng)航測(cè)立體采集相比，大大減輕了工作量，為完成河南省LiDAR 航攝生產(chǎn)DEM 及萬(wàn)分之一基礎(chǔ)測(cè)繪地貌更新工作提供了借鑒和經(jīng)驗(yàn)。