機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生成水系DEM方法研究

俞麗燕 王雅黎 邢曉彬

（中國人民解放軍61618部隊，北京 100088）

0.引言

激光雷達(dá)技術(shù)是一項通過由傳感器所發(fā)出的激光來測定傳感器與目標(biāo)物之間的距離的主動遙感技術(shù)[1]。它通過紅外光束的發(fā)射、反射和接收來探測物體的距離，并使用反射光束的時間和波長來估計距離，并且激光成像創(chuàng)建對象的3D表示[2]。目前，LiDAR技術(shù)已經(jīng)成為地理信息數(shù)據(jù)處理的一項非常重要的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)。使用LiDAR數(shù)據(jù)可以生成很多后期產(chǎn)品，其中DEM就是一項非常普遍的應(yīng)用。和其他技術(shù)一樣，LiDAR也有其缺點和局限性，例如水體所在區(qū)域的點云會有如特征：激光點稀疏；回波強度弱[3]。而實際獲取的數(shù)據(jù)情況更加糟糕，很多水系區(qū)域甚至沒有一個激光點。

DEM是對地面特性進(jìn)行空間描述的一種數(shù)字方法、途徑。它以某一范圍內(nèi)的地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過一定的數(shù)學(xué)變換，將某一范圍內(nèi)的地形地物以三維空間的形式表示在一個二維的平面上，以離散分布的平面點來模擬分布的地形[4]。由于水系區(qū)域LiDAR點稀疏甚至沒有，導(dǎo)致生成的DEM中水系部分會存在不真實的情況。本文描述一種新的方法，對水系部分生成DEM進(jìn)行改進(jìn)，添加斷裂線予以置平以補充水系區(qū)域缺失的LiDAR點，達(dá)到了DEM整體美觀、對地形表達(dá)正確的效果。這種方法經(jīng)試驗驗證可以提高水系DEM生成的質(zhì)量和精度[5]。

1.傳統(tǒng)方法生成DEM的原理與優(yōu)缺點分析

DEM生成時對于水系的處理通常有兩種方法：第一種方法是去掉所有的水點進(jìn)行生成，水面完全由最低的河岸點內(nèi)插形成。它的優(yōu)點是操作起來便捷，可以減少數(shù)據(jù)量，運行時間相對較短，但是生成的DEM在水系區(qū)域表達(dá)不真實，存在大的網(wǎng)格拉伸導(dǎo)致整體不美觀。結(jié)果如圖1所示。另一種方法是使用掃描的水點進(jìn)行生成。它的優(yōu)點是操作比較簡單，但是由于水點稀少、時有時無的這種獲取的特殊性，在同一水域會出現(xiàn)表達(dá)不一致的情況。例如：一個湖水只獲取了一部分水點，則生成的DEM就會部分有實點，部分出現(xiàn)網(wǎng)格拉伸。結(jié)果如圖2所示。

圖1 使用河岸點內(nèi)插得到的DEM圖

圖2 使用獲取的LiDAR點生成的DEM圖

2.添加斷裂線法改進(jìn)水系DEM生成研究

為提高水系DEM生成質(zhì)量和精度，這里研究一種添加斷裂線對水系進(jìn)行置平的方法。通常對于水系的真實表達(dá)需要符合自然規(guī)律：對于封閉的水域，靜止的水面高程應(yīng)該是同一個值；對于流動的水系，通常生成DEM的表達(dá)是沿著水流方向，高程值逐漸遞減，但是同一點對應(yīng)的兩岸最低點高程值應(yīng)該保持一致。自然獲取的LiDAR點很難滿足這種需求，為此，提出了添加斷裂線的方法，斷裂線賦值可以完全依照這種自然規(guī)律，使獲得的DEM在水系區(qū)域有更高的質(zhì)量和精度。該方法具體包括以下5個方面：

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）LiDAR數(shù)據(jù)分類：這個步驟使用Microstation軟件中的Terrasolid插件進(jìn)行處理，將Las格式的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，地面點和水點需要分類到不同的層中[6]。（2）采集2D水線：將采集的水線分開整理。雙線水中心線、雙線水范圍線、面狀水范圍線和島嶼的邊線分別存放在不同的文件中。

2.2 輸出水點DEM給雙線水的中心線進(jìn)行賦值

（1）這個步驟使用Microstation軟件中的Terrasolid插件完成，DEM輸出時需要使用最低點，目的是確保生成的DEM中水面的高程不會高于河岸的高程。（2）再使用ArcGIS軟件基于輸出的DEM給雙線水的中心線進(jìn)行賦值。

2.3 給雙線水和面狀水的范圍線賦值

（1）使用ArcGIS軟件中的River Flatten Dialog工具基于雙線水的中心線給河流范圍線賦值。（2）使用Microstation軟件中的Terrasolid插件抽稀水點并存成xyz格式。使用Feature Manipulate Engine軟件基于上一步驟中輸出的xyz水點給面狀水的范圍線進(jìn)行賦值。

2.4 范圍線進(jìn)行加密、離散并寫入Las文件

（1）使用Microstation軟件中的Terrasolid插件將賦值后的雙線水和面狀水的范圍線進(jìn)行離散并加密，儲存城Las格式。（2）將上一步驟中離散并加密得到的點云數(shù)據(jù)與分類好的地面點數(shù)據(jù)合并儲存。

2.5 生成DEM

使用Microstation軟件中的Terrasolid插件基于完成的只有地面點和加密水點的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)輸出DEM。

3.實驗與分析（試驗結(jié)果與可靠性分析）

3.1 試驗

試驗區(qū)域為一塊具有面狀水的簡單地形區(qū)域，數(shù)據(jù)為機(jī)載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，點云間距為8cm，大約有400萬個點云。按照前文步驟進(jìn)行處理，得到如圖3所示的效果。

圖3 使用獲取的LiDAR點生成的DEM圖

3.2 分析

從以上試驗可以看出來利用斷裂線進(jìn)行干預(yù)的DEM成果不僅美觀，而且更加符合自然規(guī)律，可以對水系地形地貌進(jìn)行最準(zhǔn)確的表達(dá)。

4.結(jié)語

高精度、快速地生成DEM，一直是地形地貌研究與分析的重要方面。文章提出的添加斷裂線予以置平法存在的問題：一方面，采集斷裂線，會導(dǎo)致步驟繁瑣，人工工作量的增加；另一方面，斷裂線的節(jié)點進(jìn)行離散寫入，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量增大，運行時間增加。雖然存在缺點，但是卻能夠很好的表達(dá)水系地形地貌，為要求比較高的項目和研究提供了一種很好的解決辦法。