機(jī)載LiDAR點(diǎn)云更新1∶1萬DEM關(guān)鍵技術(shù)探討

張金盈，胡小慶，張廣慶

(山東省國土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

1∶1萬DEM更新是山東省1∶1萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫更新工程的重要組成部分，是山東省“十二五”測(cè)繪規(guī)劃的重要內(nèi)容之一。數(shù)據(jù)高程模型DEM(Digital Elevation Model)，是以數(shù)字的形式按一定結(jié)構(gòu)組織在一起，表示實(shí)際地形特征空間分布的模型，是定義在x，y域離散點(diǎn)(規(guī)則或不規(guī)則)上以高程表達(dá)地面起伏形態(tài)的數(shù)字集[1]。

激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging，LiDAR)技術(shù)是集激光、全球定位技術(shù)(GPS)和慣性導(dǎo)航(INS)3種技術(shù)于一身的系統(tǒng)。機(jī)載激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，它具有控制測(cè)量依賴性少、受天氣影響小、自動(dòng)化程度高、成圖周期短等優(yōu)點(diǎn)，利用機(jī)載LiDAR可快速獲取大量密集的三維點(diǎn)云，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，所以無需任何實(shí)物表面的處理，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，非常適合高精度DEM的制作[2-3]。

TerraSolid是芬蘭TerraSolid公司開發(fā)的一套專門處理LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軟件，適宜對(duì)上百萬個(gè)三維點(diǎn)云進(jìn)行分類與模型構(gòu)建等工作。

1 用TerraSolid軟件對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理流程

激光點(diǎn)云后處理是指將點(diǎn)云預(yù)處理得到的激光點(diǎn)云文件經(jīng)過噪聲點(diǎn)濾除、自動(dòng)濾波分類、切除航帶重疊、人工編輯分類等步驟，得到最終地面點(diǎn)點(diǎn)云，由地面點(diǎn)生成高精度DEM。TerraSolid軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行后處理的流程如圖1所示。

2 TerraScan提取地面點(diǎn)的濾波算法及地面點(diǎn)提取算法的組合運(yùn)用

LiDAR點(diǎn)云濾波指地面激光腳點(diǎn)與地物(主要指人工建筑物、植被、動(dòng)物、車輛、行人等)激光腳點(diǎn)分離的過程[4]。TerraSolid軟件(主要指TerraScan)提取地面點(diǎn)采用自適應(yīng)TIN濾波法[5]。算法具體執(zhí)行如下：

(1)將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)集合細(xì)分為方格網(wǎng)，將每個(gè)方格網(wǎng)中最低點(diǎn)做為相應(yīng)格網(wǎng)地面種子點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)地面種子點(diǎn)集合。格網(wǎng)最小尺寸要大于采集區(qū)域非地面目標(biāo)(一般指測(cè)區(qū)內(nèi)的最大建筑物)，利用Delauney三角網(wǎng)算法根據(jù)地面種子點(diǎn)構(gòu)建TIN。

(2)根據(jù)點(diǎn)到三角形表面的距離和候選點(diǎn)(臨近種子點(diǎn))到3個(gè)頂點(diǎn)的角度最大者(在三角形表面和連續(xù)候選點(diǎn)和三角形頂點(diǎn)的線)來區(qū)別TIN表面點(diǎn)是否為地面點(diǎn)。如果距離和角度小于預(yù)先定義閾值，該點(diǎn)加入地面點(diǎn)集合。角度閾值用來控制靠近陡峭斜坡地面點(diǎn)，為了保留陡峭地形(如懸崖)的測(cè)量點(diǎn)，使用到相應(yīng)表面鏡像點(diǎn)的距離，盡可能保留地面點(diǎn)(圖2)。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理流程

圖2 自適應(yīng)TIN濾波算法原理

(3)使用地面點(diǎn)集合建立新的TIN，重復(fù)(2)、(3)，直到?jīng)]有點(diǎn)被加入地面數(shù)據(jù)點(diǎn)集合[4]。

上述算法有3個(gè)前提條件：①非地面點(diǎn)均高于地面點(diǎn)；②激光可穿透樹林到達(dá)地面；③地形坡度不會(huì)過大。然而這3個(gè)條件在現(xiàn)實(shí)中并不能全部滿足，激光在植被密集區(qū)域一般很難或只能部分穿透樹林到達(dá)地面，此過程中會(huì)產(chǎn)生多次回波，導(dǎo)致種子點(diǎn)的選取造成誤差。

激光回波特性：裸露地表處有且只有一次回波，此次回波對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)即為地面點(diǎn)；植被覆蓋區(qū)域可能對(duì)應(yīng)多次回波，正常的地面點(diǎn)是最后一次回波對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)[6]。根據(jù)此特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行逐步過濾的回波算法：將只有一次回波和多次回波的末次回波的點(diǎn)，歸類到可能的地面點(diǎn)層用于選取種子點(diǎn)，而其他的點(diǎn)云則被排除在外。這樣就大大提高了種子點(diǎn)提取的正確性。

3 自適應(yīng)TIN濾波算法的缺陷及其人工修正

在現(xiàn)實(shí)中，地形經(jīng)常出現(xiàn)起伏較大情況，如懸崖、梯田、溝、坎、堤壩以及高出地面的道路邊沿。由此引出自適應(yīng)TIN濾波算法缺陷：容易將這些地形處地面點(diǎn)錯(cuò)誤過濾到非地面層，即地面點(diǎn)不完整，導(dǎo)致地面激光點(diǎn)云反映地形真實(shí)性降低。為此，結(jié)合TerraSolid軟件功能，在人工編輯分類之前應(yīng)首先進(jìn)行自適應(yīng)TIN濾波算法人工修正，具體做法如下：用自動(dòng)分類后地面點(diǎn)云構(gòu)建TIN模型，將錯(cuò)分到非地面層點(diǎn)云可視化顯示到模型表面上，然后用TerraScan的Classify Using Brush功能沿著上面提到可能有錯(cuò)分點(diǎn)的地形起伏處將顯示的點(diǎn)云歸類到地面層。

4 特征線特征點(diǎn)參與DEM構(gòu)建

用分類完成后地面點(diǎn)進(jìn)行構(gòu)建DEM過程中，在某些特殊地形處(如水域邊界、橋梁兩端處)由于缺少詳細(xì)細(xì)節(jié)信息，構(gòu)建的DEM不能滿足技術(shù)規(guī)范要求。通過添加特征線或特征點(diǎn)能有效解決這一問題。

DEM制作時(shí)，靜止水域(如湖泊、池塘等)要求進(jìn)行置平處理[7]，而實(shí)際獲取的點(diǎn)云水域邊界點(diǎn)往往高程不一致或者水域臨近陸地處有植被等遮擋造成水面不平。水域置平具體做法是：通過地面點(diǎn)范圍以及模型判斷水域準(zhǔn)確邊界，沿著該邊界加入閉合不規(guī)則多邊形，根據(jù)水域邊界相鄰點(diǎn)云高程信息計(jì)算出該水域邊界特征線高程，然后將水域邊界里所有地面點(diǎn)歸類到非地面點(diǎn)層，將上述特征線加入到最終地面點(diǎn)構(gòu)建DEM即可將靜止水域置平。

橋梁的處理方法與靜止水域處理類似，在橋梁兩端處各加入一條擬合橋面上高程及擬合橋底岸邊高程的特征線，將這些線參與DEM構(gòu)建，能解決橋梁兩端處構(gòu)建DEM時(shí)因無約束插值造成過濾橋面后橋梁部分出現(xiàn)錯(cuò)誤插值問題。處理前后效果見圖3。

圖3 特征線參與構(gòu)建DEM實(shí)驗(yàn)

5 激光點(diǎn)云time stamp屬性修復(fù)

機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云相鄰航帶之間都存在不同大小航帶間高差，即拼接誤差。經(jīng)過點(diǎn)云預(yù)處理，拼接誤差應(yīng)在誤差允許范圍內(nèi)，然而實(shí)際作業(yè)過程中出現(xiàn)航帶拼接誤差超限的情況。TerraSolid系列組件中的TerraMatch提供了運(yùn)用tieline在后處理過程中解決航帶拼接誤差的方法，運(yùn)用這一方法的前提是激光點(diǎn)云跟航跡信息準(zhǔn)確匹配。實(shí)際生產(chǎn)中，由于作業(yè)人員誤操作等原因，常造成分類完成點(diǎn)云丟失time stamp屬性，而缺省time stamp屬性激光點(diǎn)云無法與航跡匹配，進(jìn)而無法提取出tieline，以至于無法在后處理階段消除航帶間高差。

激光點(diǎn)云time stamp屬性修復(fù)思路如下：人工編輯分類前點(diǎn)云數(shù)據(jù)(事先做好備份)具有完整time stamp屬性，通過點(diǎn)云空間信息(X，Y，Z坐標(biāo))將人工編輯分類前后點(diǎn)云進(jìn)行空間位置配準(zhǔn)。通過設(shè)置距離閾值(該閾值足夠小，小于任意相鄰激光點(diǎn)間的空間距離，機(jī)載LiDAR獲取的激光點(diǎn)云間距一般在分米級(jí)到米級(jí)，此條件易滿足)，可準(zhǔn)確地將2個(gè)點(diǎn)云文件里的點(diǎn)云進(jìn)行空間上一一配準(zhǔn)，再通過空間位置將人工編輯分類前點(diǎn)云time stamp屬性賦值給人工編輯分類完成的點(diǎn)云。

6 人工編輯分類完成后對(duì)點(diǎn)云航帶間高差超限的補(bǔ)救性處理

TerraMatch的tieline功能校正航帶拼接誤差原理是：首先用地面點(diǎn)提取算法按獨(dú)立航帶提取地面點(diǎn)，地面點(diǎn)在航帶重疊處地面點(diǎn)也相應(yīng)重疊，這是搜索tieline必要條件。搜索tieline過程就是對(duì)重疊地面點(diǎn)尋找共面的過程。剔除誤差過大tieline，運(yùn)用檢查正確的tieline計(jì)算改正參數(shù)，將改正參數(shù)應(yīng)用到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，航帶拼接誤差就能得到校正。如果一次實(shí)驗(yàn)tieline改正效果不佳，可調(diào)整參數(shù)重新搜索tieline，重復(fù)上述步驟，直到改正效果達(dá)到要求。人工編輯分類完成后，點(diǎn)云分類信息已經(jīng)固定，而且航帶重疊點(diǎn)也已經(jīng)切除，因而不能通過常規(guī)搜索tieline步驟對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。人工編輯分類完成后對(duì)點(diǎn)云航帶拼接誤差超限的補(bǔ)救性處理思想是：將切除航帶重疊步驟得到的點(diǎn)云(overlap層)作為初始點(diǎn)，用第2部分中提到的算法組合從overlap層里提取出航帶重疊處“地面點(diǎn)”放入ground_overlap層，選擇ground層和ground_overlap層作為地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，這樣就滿足搜索tieline的條件。按照常規(guī)tieline校正步驟對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，多次試驗(yàn)滿足精度要求之后將ground_overlap層點(diǎn)云返回到overlap層，如此實(shí)現(xiàn)在不改變點(diǎn)云分類信息條件下對(duì)點(diǎn)云航帶拼接誤差進(jìn)行補(bǔ)救性處理。

7 結(jié)語

該文結(jié)合用TerraSolid軟件對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理流程，探討了此過程中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，主要目的是提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理的效率，并解決實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的一些特殊問題，減少人工編輯的工作量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘正風(fēng)，程效軍，成樞，王騰軍，宋偉東，鄒進(jìn)貴.數(shù)字測(cè)圖原理與方法(第二版)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009.

[2] 靳克強(qiáng)，龔志輝，王勃，湯志強(qiáng).機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].測(cè)繪工程，2010,19(6):39-42.

[3] 白立飛，潘寶玉，張?zhí)m.三維激光掃描技術(shù)在數(shù)字礦山領(lǐng)域的應(yīng)用[J].山東國土資源，2013,29(8):46-49.

[3] 王刃.機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)濾波與建筑物提取技術(shù)研究[D].鄭州：信息工程大學(xué)，2008.

[4] 林明華.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理理論與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2008.

[5] 許曉東，張小紅，程世來.航空Lidar的多次回波探測(cè)方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2007，(8)：778-781.

[6] 國家測(cè)繪地理信息局.(CH/T8023-2011)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)規(guī)范[S].