基于3D Mapping軟件的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的等高線提取

杜金莉

（1.安徽省第一測(cè)繪院，安徽 合肥 230031）

1 LiDAR獲取的數(shù)字高程模型的特點(diǎn)

常規(guī)的數(shù)字高程模型（DEM）和等高線的獲取方法為航測(cè)法成圖，即航飛獲得航片，通過(guò)外業(yè)控制和內(nèi)業(yè)加密后獲得立體像對(duì)，在立體像對(duì)上人工采集特征點(diǎn)線生成TIN 或DEM，后通過(guò)TIN 或DEM 生成等高線，修測(cè)后形成DEM 和等高線成果[1]。航測(cè)法成圖生成的DEM 和等高線精度高、等高線形態(tài)好，符合規(guī)范要求。但是因?yàn)榱Ⅲw采集特征點(diǎn)線、DEM 和等高線修測(cè)等工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)效率不高。一般省級(jí)1∶10 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)地貌更新頻率都是3～5年更新一次，近年來(lái)為了快速成圖，我省采購(gòu)了全省LiDAR 獲取的DEM，經(jīng)過(guò)處理直換生成等高線、高程點(diǎn)等地貌數(shù)據(jù)。LiDAR 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后直換提取等高線與傳統(tǒng)的航測(cè)法成圖相比，具有生產(chǎn)成本低、速度快、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)周期短、等高線精度高、形態(tài)逼真等特點(diǎn)[2]。

LiDAR 系統(tǒng)是利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)和 GNSS/IMU 直換獲取地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)形成離散的、不規(guī)則的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)[3-4]。LiDAR 獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度大，雖然用其處理得出的DEM 點(diǎn)的相對(duì)精度較高，但獲取的地貌較為破碎，利用LiDAR 獲取的DEM 提取的等高線，地貌形態(tài)的細(xì)微處都表現(xiàn)出來(lái)，生成的等高線破碎，連續(xù)性完整性欠佳，等高線不美觀，需要進(jìn)行濾波等一系列處理[5]，對(duì)不同地形類(lèi)別生產(chǎn)等高線的參數(shù)設(shè)置及作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高。本文利用定制的Geoway 3DMapping 軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)DEM 進(jìn)行濾波后生成等高線，成果在地貌形態(tài)，等高線精度等方面均符合規(guī)范要求。

2 3DMapping生成等高線流程

3DMapping 軟件只能利用bil 數(shù)據(jù)生成等高線，作業(yè)前需要將DEM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成bil 格式，后生成參考等高線（供參考修測(cè)DEM）、DEM 濾波、提取等高線、修測(cè)等高線、更新高程點(diǎn)等流程，具體流程如圖1所示。

圖1 等高線提取流程圖

2.1 DEM 濾波方法及參數(shù)設(shè)置

DEM 濾波是等高線生成前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，濾波的質(zhì)量直換影響到DEM 生成等高線的精度及美觀。不濾波生成的等高線比較破碎，地貌形態(tài)表示凌亂；濾波過(guò)度會(huì)對(duì)精度造成部分損失，要控制濾波次數(shù)及根據(jù)地形選擇濾波窗口尺寸[6]。如果濾波次數(shù)及窗口尺寸不合理會(huì)導(dǎo)致生成的等高線的效果不好，若濾波次數(shù)過(guò)多或?yàn)V波窗口尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致DEM 失真，精度不可靠。不同地形類(lèi)別的DEM 提取出來(lái)的等高線在參數(shù)設(shè)置、濾波設(shè)置上差異較大，本文經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，利用2×2 m間隔的DEM 提取等高線，按山地（包括高山地）和平地丘陵兩種地形類(lèi)別分別設(shè)置參數(shù)提取，得出以下效果較為適中的參數(shù)和步驟。

2.1.1 山地（高山地）DEM 濾波

山地（高山地）用3DMapping 軟件生成的等高線較為圓滑，等高線形態(tài)好，濾波時(shí)將全圖光滑窗口給5×5 濾波3 次。后對(duì)沖溝里等高線破碎地區(qū)再用光滑窗口5×5 進(jìn)行濾波1 ～3 次，濾波次數(shù)需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)為保證精度且等高線不破碎，手工修測(cè)工作量小為上。這里需要注意的是山頭特別是尖山頭不能反復(fù)濾波，重復(fù)濾波多次會(huì)造成山頂高程精度損失，故二次濾波時(shí)需要避開(kāi)尖山頭。

2.1.2 平地、丘陵DEM 濾波

平地、丘陵地因?yàn)榈匦屋^為破碎，所以既要通過(guò)重復(fù)濾波減少微型地貌的破碎表達(dá)，又要控制光滑窗口和濾波次數(shù)，保證高程精度。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出下列參數(shù)：先將光滑窗口設(shè)定為3×3 全圖濾波2 次，后對(duì)平坦地區(qū)、山坡等地局部再次進(jìn)行濾波，再次濾波時(shí)將丘陵地光滑窗口設(shè)定為7×7，北方平坦地區(qū)光滑窗口設(shè)定為9×9，濾波2 ～3 次。高速公路、大堤等突出的狹長(zhǎng)地物多次濾波容易造成變形等精度損失，故再次濾波時(shí)應(yīng)該避開(kāi)上述區(qū)域。這里需要注意的是：光滑窗口越大，精度損失越大，高程精度越低。高速公路、主要堤等突出的狹長(zhǎng)地物如果需要用等高線表示，則只能濾波一次，且光滑窗口最好不能大于5×5，再次濾波選擇范圍時(shí)需要避開(kāi)以上區(qū)域，以免造成等高線變形、偏移、與地物不套合等狀況。

2.2 加入水系數(shù)據(jù)處理DEM

根據(jù)水塘、水庫(kù)、常年湖水面DEM 等高的原理，一般等高線不穿越靜止的水面，此步驟主要是從已有的DLG 數(shù)據(jù)中提取水系相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)提取的DLG水系范圍，計(jì)算水系面內(nèi)DEM 的平均高程，將水面范圍內(nèi)的DEM 高程置平，這樣生成的等高線就避免了來(lái)回穿越水面[7]。方法是從已成圖的DLG 數(shù)據(jù)庫(kù)中提取靜止的水面：水塘2301023、水庫(kù)2401023、常年湖2301013 等，后點(diǎn)擊“處理DEM”將水面內(nèi)的DEM 置平（注意，此步操作不能把溢洪道、河流、水渠等有上下游流向非等高的面添加進(jìn)去）。

根據(jù)河流、溝渠等有流向非等高的水系其高程值依據(jù)上下游的高程由高到低遞減，水系兩岸高程值基本等高的原理，從已成圖DLG 數(shù)據(jù)庫(kù)中提取溝渠2202013、常年河2101013 等有流向非靜止的水系數(shù)據(jù)，該水系高程不需要置平，而是將水系兩岸的橫向高程取平均值。

2.3 提取及修測(cè)等高線

DEM 處理完成之后就可生成等高線，此步驟需要將DEM 設(shè)為激活圖層，等高線生成后需要局部修測(cè)，將不夠上圖尺寸的極小范圍的自封等高線刪除，修測(cè)部分落水等高線，將破碎等高線適當(dāng)綜合等。等高線修測(cè)需要人工完成，山地等高線基本不需要修測(cè)，工作量較?。黄降?、丘陵地區(qū)因?yàn)榈匦纹扑?，人工地物較多，等高線修測(cè)相對(duì)繁瑣。

2.4 更新高程點(diǎn)

一萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的高程點(diǎn)根據(jù)規(guī)范要求，高程點(diǎn)需按品字形分布，一般每個(gè)格網(wǎng)需要拾取10～15 個(gè)高程點(diǎn)。高程點(diǎn)應(yīng)優(yōu)先選取特征點(diǎn)位上的高程，例如：鐵路、橋面、主要道路交叉口；水塔、煙囪等獨(dú)立地物根部；堤岸、防洪墻、山頂、山腳、鞍部等部位；鐵路、公路上每個(gè)格網(wǎng)拾取一個(gè)高程點(diǎn)[8]。通過(guò)人工拾取的工作量較大，如果通過(guò)軟件自動(dòng)拾取，雖然能保證高程點(diǎn)的形態(tài)分布及密度，但很難保證上述特征點(diǎn)位上都能生成高程點(diǎn)。此步驟的原理是利用上一輪生產(chǎn)合格的DLG 數(shù)據(jù)，提取老高程點(diǎn)的位置，從新的濾波后的DEM 上讀取高程值。即利用上一輪地形圖的高程點(diǎn)點(diǎn)位，提取本次DEM 數(shù)據(jù)上的高程值作為高程點(diǎn)，滿足了高程點(diǎn)的點(diǎn)位要求，利用本次新修測(cè)的DEM 也符合高程點(diǎn)的精度要求。

高程生成后，檢查高曲矛盾及高程點(diǎn)點(diǎn)位配置，高程點(diǎn)缺失或新增特征點(diǎn)位的地方可以從DEM 上重新拾取高程。補(bǔ)充采集的高程點(diǎn)輸出在“點(diǎn)圖層”里，需把它拷貝到TERP 層的720100 里。

3 存在的問(wèn)題及解決方法

1）此軟件點(diǎn)線矛盾數(shù)據(jù)檢查功能不完善，很多錯(cuò)誤有漏檢現(xiàn)象，檢查出來(lái)的錯(cuò)誤有很多偽錯(cuò)誤，導(dǎo)致質(zhì)量得不到保證，增加作業(yè)中的工作量，鑒于Geoway3.6或4.0 有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)編輯處理檢查功能，建議可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geoway3.6 或4.0 里重新檢查修改，或利用其他專(zhuān)業(yè)的質(zhì)檢軟件檢查修改，可以大大提高工作效率。

2）軟件有化簡(jiǎn)和光滑等高線功能，但化簡(jiǎn)、光滑等高線功能不完善，光滑等高線后數(shù)據(jù)量增大很多，導(dǎo)致后期等高線修測(cè)編輯時(shí)速度 很慢，化簡(jiǎn)等高線也沒(méi)有起到應(yīng)有的效果。根據(jù)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)，建議不做化簡(jiǎn)和光滑等高線，這樣等高線美觀度和數(shù)據(jù)量相對(duì)較好。

3）丘陵地形破碎處，生成的等高線破碎，形態(tài)不完整，提取等高線的軟件大都存在類(lèi)似問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)上述參數(shù)設(shè)置的優(yōu)化改善此類(lèi)問(wèn)題。另結(jié)合部分人工修測(cè)，作業(yè)人員積累一定的作圖經(jīng)驗(yàn)和技巧，可以提高速度。

4）在該軟件下直換修測(cè)等高線可能會(huì)遺漏部分需要處理與地物關(guān)系的等高線，作業(yè)時(shí)可以套合DOM或部分?jǐn)?shù)字線劃圖（道路、橋梁、大堤、河流等）進(jìn)行，也可以在導(dǎo)出數(shù)據(jù)之后將等高線導(dǎo)入到ArcGIS 或Geoway 建庫(kù)時(shí)邊作業(yè)邊檢查處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在Geoway 3D Mapping 軟件的基礎(chǔ)上，研究總結(jié)了LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)提取等高線的方法、最優(yōu)參數(shù)設(shè)置和步驟，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)對(duì)不同地形類(lèi)別的等高線進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)置、優(yōu)化作業(yè)流程，提取等高線精度高，形態(tài)美觀，滿足規(guī)范要求。提取方法簡(jiǎn)單易學(xué)，操作便捷，生產(chǎn)效率高，適合大面積快速成圖。