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    基于機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取高精度DEM的關鍵技術探討

    2022-11-26 05:46:30許家錄
    地理空間信息 2022年11期
    關鍵詞:測區(qū)高程植被

    許家錄

    (1.青海省自然資源綜合調查監(jiān)測院,青海 西寧 810001)

    機載LiDAR技術由20世紀80年代后期發(fā)展而來,特別是隨著免棱鏡紅外測距與無人機技術的進步,該技術得到了飛躍式發(fā)展。機載LiDAR技術主要應用于地形測量、林業(yè)分類、電力巡線、山體滑坡監(jiān)測等多個領域。相較于地基激光雷達掃描技術,機載LiDAR技術航測范圍大、工作效率高、對高大建筑物以及山地復雜地形的測量優(yōu)勢更加明顯;而相較于航空攝影測量,其可全天候、不受日照條件影響觀測[1-3],在垂直方向上具有更高的分辨率,且植被穿透力強、成圖周期更短。因此,在一些地形復雜、植被茂密的山區(qū),更適合利用機載LiDAR技術進行掃描作業(yè)。本文重點探討了利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的關鍵技術,主要包括點云數(shù)據(jù)濾波、人工精細分類、地表點云內插以及DEM成果的制作與修飾,并結合四川省南充市某丘陵地形測圖項目,制作了高精度DEM,對其精度進行了計算與評定,取得了較好的效果。

    1 機載LiDAR技術的原理與流程

    機載LiDAR測量系統(tǒng)多以旋翼機為載體,搭載激光雷達測量設備、慣性導航系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng),同時根據(jù)航測任務的不同,還可加載正攝單反相機,以便LiDAR點云與正攝影像融合處理。其中,GPS衛(wèi)星定位設備可提供精確的紅外發(fā)射腳點位置坐標;慣導設備用于測定激光設備發(fā)射瞬間的空間姿態(tài)信息;激光掃描設備則是根據(jù)采樣點激光回波脈沖相對于發(fā)射時刻的時間延遲,計算得到傳感器到地面點的距離[4-6]。在該過程中,還能得到激光脈沖回波次數(shù)。地面采樣點位置坐標是由機載傳感器到采樣點的實測距離、慣導系統(tǒng)給出的激光發(fā)射點姿態(tài)信息以及GPS測得的發(fā)射點瞬時空間位置3項參數(shù)綜合解算獲得。最終得到的是地表分布不規(guī)則、離散的三維點云數(shù)據(jù)。機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取DEM的技術流程如圖1所示。

    圖1 機載LiDAR點云獲取DEM技術流程圖

    2 關鍵技術研究

    針對利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的關鍵技術,本文主要探討數(shù)據(jù)預處理后的主要環(huán)節(jié)。當然,在預處理環(huán)節(jié)中,解算地面點空間三維坐標、空間坐標系轉換、剔除點云粗差與系統(tǒng)誤差等均為較重要的工作,篇幅原因不便加以闡述。本文著重研究除去程序自動處理以外的根據(jù)相關理論由人工精細判別與操作的關鍵環(huán)節(jié),主要是如何準確、高效地將地面點分離出來。本文設計了3種方案。

    1)方案1:設置閾值分離地面點。通過解算獲得的三維點云數(shù)據(jù),除具有空間三維坐標,還包含時間、回波次數(shù)與強度等信息。雖然這些點云數(shù)據(jù)具有豐富的屬性信息,但每個點都是獨立數(shù)據(jù),點與點不存在拓撲關系[7-8],因此要想準確分離大量點云數(shù)據(jù)中的地面點與非地面點,可通過識別鄰近激光腳點間的高程突變值來實現(xiàn)。由于這些突變的高程點很少是由地形突然起伏引起,因此可給定一個高程變化閾值來過濾非地面點,以達到與地面點分離的目的。該方案可通過編寫程序實現(xiàn)。

    2)方案2:按照點云回波數(shù)分離地面點。機載LiDAR技術的優(yōu)勢在于其激光束固有的穿透性。它在掃描過程中,遇見不同地面點會有不同的回波次數(shù)與強度信息[9-10],當激光點掃描到不可穿透的物體表面時,只產生一次回波;當掃描到植被等可穿透表面時,則產生兩次或多次回波。因此,可提取多次回波中最后一次回波的點云和只有一次回波的點云,由此便成功去除了植被點,再手動剔除建筑物,便可分離地面點。

    3)方案3:人工手動分類。人工分離地面點是在程序自動分類的基礎上進行的。通過機載航拍影像生成高分辨率DOM或三維實景模型,再參照這些成果對自動分類后的點云進行人工手動交互精細分類。之所以采用人工分類,是由于程序自動分類后只是一個概略的地形數(shù)據(jù),仍存在錯誤分類與分類不完整的情況,特別是在地形表面上、下50 cm處,易存在誤分情況或一些小的地形不連續(xù)部分會被平滑處理掉,此時加入人工交互分類,同時參考DOM、三維實景模型即可修正誤分點云,清晰完整地剔除非地面點。

    上述3種地面點分類方案各有優(yōu)劣,方案1適用于對裸露地表上的建(構)筑物等人工設施進行程序自動化處理,但不適用于植被的識別;方案2適用于對地表植被覆蓋進行多次回波識別,但對其他地貌不能顯示其優(yōu)勢;方案3明顯效率低下、費時費力。因此,可綜合利用3種方案的優(yōu)勢,從而大幅提高點云分類處理的效率與精度。

    3 案例分析

    3.1 數(shù)據(jù)采集

    結合四川省南充市某村莊1∶500大比例尺測繪項目,本文利用機載LiDAR點云航測設備進行了外業(yè)掃描。測區(qū)三面環(huán)山、中間低洼,屬于典型的丘陵地形,地勢較高的山坡與山頂均有茂密植被覆蓋,若采用傳統(tǒng)RTK、航空攝影測量等手段很難實施;同時,測區(qū)包括多處水田,勢必提高了后期DEM制作的難度。本文采用大疆M600Pro無人機,搭載RIEGL激光掃描設備,點云密度每m2不少于25個,正攝影像分辨率優(yōu)于5 cm,數(shù)據(jù)采集時間為2019年12月。預處理后的點云數(shù)據(jù)(圖2a)具有CGCS2000坐標、黃海1985高程、回波次數(shù)、點云強度等信息屬性,以高程與強度混合的模式顯示。

    3.2 地面點分類

    測區(qū)地形復雜、植被覆蓋率高,本文采用回波次數(shù)、閾值設定和人工交互編輯3種方案的優(yōu)勢組合方案進行地面點分類,即利用回波次數(shù)方案分離植被區(qū)的植被與地面點云,利用閾值設定的程序編制分離地表建(構)筑物等人工設施與地面點,利用人工交互方案對剩余點云進行精細化點云分類,以進一步地提高地面點的純度。

    首先,根據(jù)點云的脈沖回波次數(shù),保留僅一次回波與最后一次回波的點云,如此可剔除絕大部分植被點云,保留地面與建筑物點云,效果如圖2所示,同時將被剔除點歸為中等植被點。

    圖2 原始與初次回波分類點云

    然后,利用給定閾值的方法處理保留的地面與建筑物點云,通常程序的地面點自動分類工具也能分離地面點,但其對地勢較平緩的地形效果較好,對于高低起伏較大的地形,易導致自然地形起伏突變大、人工墊高地基與加固溝渠等點云的不合理過濾。因此,基于Visual C++6.0編程環(huán)境,本文利用C++語言編制了點云閾值過濾程序,設置過濾地面點上、下垂直高度為0.4 m,該值能完好保留地形,且可過濾絕大多數(shù)房屋建(構)筑物。此時被過濾的點云可歸為建筑物點,如圖3所示。

    圖3 閾值設定過濾后的分類效果

    最后,采用人工交互的方向進行精細分類。在回波次數(shù)分類與閾值過濾后,各類點云分離基本清晰,但在精細化DEM生產中,仍需對上述地面點云進行后期人工交互編輯,分離地面點云中少量的其他類別點云。分類效果如圖4所示,圖中給出了人工交互編輯地面點云的過程,針對需編輯的區(qū)域,利用橫斷剖面效果精細剔除雜點。

    圖4 人工交互精細分類效果

    3.3 DEM編輯

    DEM生產的后期編輯主要是對水域表面、較大石塊以及尖銳物體進行平滑處理。編輯前水域水面與地面突起,通過以水面一定位置的高程為整個水域的高程,將突起模型范圍內的DEM做平滑編輯,編輯前后的效果對比如圖5所示。測區(qū)編輯修飾精細化后的DEM數(shù)據(jù)如圖6所示。

    圖5 DEM編輯與修飾

    圖6 測區(qū)精細DEM制作效果

    3.4 精度評定

    根據(jù)大比例尺DEM生產規(guī)范,1∶500 DEM要求輸出的格網(wǎng)間距為0.5 m,丘陵地形高程中誤差為0.4 m,因此在輸出DEM時設置格網(wǎng)間距為0.5 m。評定整體高程中誤差的精度時,本文在實地選取了36個地物特征點,將實測值與DEM對應點進行對比,計算了高程中誤差,如表1所示。高程中誤差為±0.106 m,說明在復雜地形、多植被覆蓋的情況下,可滿足規(guī)范對丘陵地形的精度要求。

    表1 DEM高程中誤差精度評定統(tǒng)計表/cm

    4 結語

    機載LiDAR技術已越來越廣泛地應用于各個領域。本文詳細闡述了LiDAR點云數(shù)據(jù)后期制作高精度DEM的若干關鍵技術,主要涉及地面點濾波的多種解決方案和水域水面點云空白區(qū)的處理方法。本文結合1∶500大比例測繪項目進行了航飛掃描與DEM優(yōu)化處理,并給出了DEM高程中誤差,很好地滿足了相關規(guī)范要求。本文探討的地面點分離方案等關鍵技術,能為制作大比例尺高精度DEM數(shù)字產品(特別在地形復雜、植被茂密的測區(qū))提供數(shù)據(jù)處理方案與相關經(jīng)驗。

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