基于LiDAR數(shù)據(jù)的水域邊界提取方法探討

戴 騰，王金龍，周 鋒，王愛(ài)華，周軍元

（1.湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074；2.武漢大學(xué)出版社，湖北 武漢 430072；3.山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250000）

基于LiDAR[1]點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地物邊界提取一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)之一。趙小陽(yáng)[2-4]等結(jié)合機(jī)載和船載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，探討了自動(dòng)化識(shí)別地物、智能化提取地物邊界、三維重建等方面內(nèi)容；邵磊[5-7]等基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)開(kāi)展了利用格網(wǎng)模式提取河流水涯線、水體輪廓線、水體邊界點(diǎn)的方法研究；廖中平[8]等提出了一種可調(diào)節(jié)滾動(dòng)圓半徑的α-shapes平面點(diǎn)云邊界提取算法來(lái)快速提取完整點(diǎn)云邊界；黃帥[9]等公開(kāi)了一種基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失區(qū)域邊界提取方法來(lái)獲得細(xì)節(jié)完整，且相互獨(dú)立的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失區(qū)域邊界。湖北省因水資源豐富而著稱，全省大江大河、湖泊、溝壑水網(wǎng)星羅棋布，水體面積及邊界形狀各異，對(duì)水體邊界提取提出了新的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文提出一種適合于湖北水網(wǎng)特點(diǎn)的邊界提取算法，在湖北省測(cè)繪工程院項(xiàng)目生產(chǎn)中得到了較好的應(yīng)用。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

研究區(qū)地處沿湖北省內(nèi)長(zhǎng)江流域和漢江流域的條形地帶，地形類別基本屬于丘陵。2017-01~2017-05，原國(guó)家測(cè)繪地理信息局與原湖北省測(cè)繪地理信息局組織實(shí)施了研究區(qū)內(nèi)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。該點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)間距為1.3~1.4 km2間，高程系統(tǒng)為大地高，高程精度約為0.2 m。整個(gè)研究區(qū)DEM生產(chǎn)面積大于40 000 km2。考慮到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和處理效率，將研究區(qū)的Li?DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)按1:10 000圖幅進(jìn)行分塊并命名。

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程包括：

1）根據(jù)研究區(qū)獲取的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合湖北省似大地水準(zhǔn)面精化模型成果，將高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為1985國(guó)家高程基準(zhǔn)的正常高，其計(jì)算公式：

2）點(diǎn)云的坐標(biāo)換帶。根據(jù)航攝分區(qū)分布位置，用TerraSolid軟件，按3°分帶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影換帶。

3）數(shù)據(jù)分幅。進(jìn)行分塊分幅處理，便于在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下多人同時(shí)進(jìn)行編輯操作。

4）噪聲點(diǎn)濾除。將明顯低于地面的點(diǎn)或者點(diǎn)群（低點(diǎn)）和明顯高于地表目標(biāo)的點(diǎn)或者點(diǎn)群（空中點(diǎn)），以及移動(dòng)地物點(diǎn)定義為噪聲點(diǎn)，在進(jìn)行地面點(diǎn)分類之前，先去除這類噪聲點(diǎn)。

5）提取地面點(diǎn)。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，最后一次回波對(duì)應(yīng)的反射點(diǎn)即為地面點(diǎn)。

6）人工編輯點(diǎn)云分類。對(duì)點(diǎn)云參照正射影像進(jìn)行精細(xì)分類，包括對(duì)高程突變的區(qū)域調(diào)整參數(shù)和算法重新進(jìn)行小面積的精細(xì)分類，采取人工編輯模式對(duì)分類錯(cuò)誤的點(diǎn)進(jìn)行重分類，精細(xì)區(qū)分地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)，并分類保存。

7）DEM制作。對(duì)確定表達(dá)地面真實(shí)形態(tài)的地面點(diǎn)云作為特征點(diǎn)，結(jié)合帶有高程信息的精確匹配的特征線，采用構(gòu)建TIN方式，可以直接獲得研究區(qū)的DEM產(chǎn)品。

2 水域邊界提取方法

在機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)中，水體所在區(qū)域的點(diǎn)云具有點(diǎn)云稀疏、回波強(qiáng)度弱、高程相近等系列特征，生產(chǎn)高精度DEM時(shí)，難以達(dá)到水域內(nèi)DEM的置平或自然平緩過(guò)渡等技術(shù)要求，因而需要大量的人工編輯處理，自動(dòng)化水平較低，無(wú)法滿足生產(chǎn)工作的需要。為此，提出一種自動(dòng)提取LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)水域邊界的方法，該算法的流程圖如圖1所示。

圖1 流程圖

算法具體執(zhí)行路線：

1）在LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)第6步——人工編輯點(diǎn)云分類后，即可得到精細(xì)編輯區(qū)分后的地面數(shù)據(jù)，如圖2中藍(lán)色點(diǎn)狀數(shù)據(jù)。

2）以地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)構(gòu)建測(cè)區(qū)不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）。圖3為圖2水面區(qū)域LiDAR點(diǎn)云TIN的局部放大圖。

圖2 水域邊界提取結(jié)果

3）計(jì)算TIN中每個(gè)三角形的最小外接圓的半徑，圖3中三角形中H1-H10、K1-K10均為三角形編號(hào)樣例。

圖3 點(diǎn)云局部放大圖

4）根據(jù)待處理區(qū)域LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地面平均距離，確定一個(gè)閾值（T1，一般等于點(diǎn)云間距的1.5倍左右）。

5）將每個(gè)三角形的最小外接圓半徑值與閾值T1進(jìn)行比較，記錄下比閾值T1大的三角形。

6）在上述記錄三角形中，將相鄰三角形進(jìn)行融合合并（如圖3中三角形H1~H10），形成多個(gè)新的面域。

7）在項(xiàng)目設(shè)計(jì)書中，規(guī)定了最小置平處理的水域面積。根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)書要求，選擇合適的水面區(qū)域面積為面積閾值（T2），選取融合合并后的面域面積大于T2的區(qū)域，自動(dòng)提取其邊界線（圖2中紅色線條）。根據(jù)邊界線上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的高程值，選取其中的最小高程值，直接作為該邊界線的高程值，這確保了水面區(qū)域的高程值的絕對(duì)水平。

利用自動(dòng)提取的水域邊界線作為特征線，配合邊界線區(qū)域外圍的三角網(wǎng)來(lái)生產(chǎn)測(cè)區(qū)數(shù)字高程模型產(chǎn)品，可以保障水面區(qū)域數(shù)字高程模型精度與平滑過(guò)渡的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了水域與其周邊區(qū)域的數(shù)字高程模型一體化生產(chǎn)（以上過(guò)程利用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)）。

3 結(jié)果分析

3.1 提取結(jié)果

對(duì)整個(gè)研究區(qū)的水域邊界進(jìn)行提取，提取過(guò)程中，閾值T1（三角形最小外接圓半徑）設(shè)置為2 m，閾值T2（合并后面域的面積）設(shè)置為200 m2。使用5臺(tái)高性能工作站集中運(yùn)行，運(yùn)行速度約為幅/20 min。

圖4為研究區(qū)內(nèi)的一個(gè)1:10 000圖幅，其中紅色邊界為提取的結(jié)果，圖中水域形狀為長(zhǎng)條形、方形、弧形、鋸齒形等，水面寬窄不一，長(zhǎng)短不同。圖4左下區(qū)域藍(lán)色水域邊界的局部放大圖為圖5所示。里面存在2個(gè)空洞區(qū)域，圖6為其他實(shí)驗(yàn)圖幅的空洞區(qū)域。

圖4 實(shí)驗(yàn)區(qū)邊界提取結(jié)果

圖5 局部提取細(xì)長(zhǎng)形水域邊界

圖6 空洞區(qū)域

3.2 結(jié)果分析

1）根據(jù)圖4可以看出，圖中提取的水域形狀呈多種樣式，表明本方法能完全適應(yīng)多種形狀的水面區(qū)域。

2）根據(jù)圖5、6可以看出，本方法能正確舍棄小空洞區(qū)域（圖5左上角、圖6空洞A和空洞B），使DEM數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際地表情況，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

3）相對(duì)于傳統(tǒng)的單幅圖手工勾畫水面區(qū)域，或直接生成DEM產(chǎn)品后再人工編輯水面邊緣DEM數(shù)據(jù)的作業(yè)手段，該生產(chǎn)方式大幅減少了人工編輯的工作量，提升了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。

4 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)測(cè)繪科技創(chuàng)新及裝備建設(shè)的高要求，湖北省測(cè)繪工程院積極圍繞數(shù)據(jù)快速生產(chǎn)、提升生產(chǎn)服務(wù)支撐能力全方位謀劃，主動(dòng)思維?；诖?，本文提出一種基于單個(gè)三角形最小外接圓來(lái)提取水域邊界的方法，包括構(gòu)建TIN、計(jì)算三角形最小外接圓半徑、三角形面域合并、提取面域邊界等步驟。該方法只需根據(jù)LiDAR點(diǎn)云間距，設(shè)置合適的閾值即可進(jìn)行，適用于任意形狀的水域邊界提取。當(dāng)然，自動(dòng)識(shí)別提取水域邊界的方法有很多種，如何避開(kāi)水邊界處茂密植被等均是將后研究的方向，還應(yīng)結(jié)合水域面與橋梁、涵洞相交處高程突變的特點(diǎn)，繼續(xù)完善其功能，努力實(shí)現(xiàn)全省基礎(chǔ)時(shí)空信息數(shù)據(jù)的高質(zhì)量快速更新，提升湖北實(shí)景三維在自然資源管理中的應(yīng)用效率，為快速實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維中國(guó)而服務(wù)。