基于機(jī)載Li DAR技術(shù)的植被密集區(qū)域DEM生成方法研究

曹 兵,喬亞奇,姬家澤

(天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊(duì),天津 301800)

0 引言

DEM(數(shù)字高程模型)為主要反映地形起伏變化的數(shù)字化模型,能為地理信息系統(tǒng)(GIS)、土地利用規(guī)劃、水文學(xué)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的研究提供有力支持。傳統(tǒng)的DEM測(cè)繪方法包括傾斜攝影測(cè)量法、GPS-RTK測(cè)量法、遙感影像法等,但都存在植被遮擋及重疊問(wèn)題,在植被密集區(qū)域應(yīng)用中受到限制。近年來(lái),激光雷達(dá)(LiDAR)技術(shù)迅速發(fā)展,其在地形測(cè)量、三維建模、環(huán)境檢測(cè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。在植被密集區(qū)域的DEM測(cè)繪中,機(jī)載LiDAR具有高能量、狹窄光束角度、多次反射及高分辨率測(cè)量等特點(diǎn),能夠穿透植被到達(dá)地面,獲取植被層及地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),有效解決植被遮擋及重疊問(wèn)題,對(duì)于精度要求較高的植被高程信息提取具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]。機(jī)載LiDAR是一種使用激光技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量的遙感工具,通過(guò)發(fā)射脈沖光束并測(cè)量其返回時(shí)間來(lái)獲取地面或物體的三維坐標(biāo)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的激光器發(fā)射短脈沖激光束,與地面或物體發(fā)生相互作用,一部分激光束在與地面或物體相互作用后以反射形式返回。其使用高精度的計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量從激光器發(fā)射脈沖到接收到反射信號(hào)的時(shí)間間隔,計(jì)算出光的旅程距離。結(jié)合機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的位置及姿態(tài)信息,可以計(jì)算地面或物體精確的三維坐標(biāo)。機(jī)載LiDAR測(cè)量原理如圖1所示[2]:

圖1 機(jī)載LiDAR測(cè)量原理

由該系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)稱(chēng)為三維點(diǎn)云,包含地物對(duì)象的高程信息,具有豐富的目標(biāo)多次回波信號(hào)與強(qiáng)度信息、地物類(lèi)別信息及與每一點(diǎn)高程信息對(duì)應(yīng)的位置信息等。

1 DEM生成方法

1.1 整體技術(shù)路線設(shè)計(jì)

針對(duì)植被密集區(qū)域開(kāi)展無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)模塊進(jìn)行航測(cè),采集到目標(biāo)區(qū)域的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、濾波、分類(lèi)等處理,得到目標(biāo)區(qū)域的地面點(diǎn)云,評(píng)估通過(guò)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理得到的高程數(shù)據(jù)精度。精度符合要求時(shí)建立測(cè)區(qū)數(shù)字高程模型,整體技術(shù)路線如圖2所示[3]。

圖2 整體技術(shù)路線設(shè)計(jì)

1.2 外業(yè)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

采用飛馬D2000無(wú)人機(jī)作為無(wú)人機(jī)平臺(tái),搭載D-LIDAR2000激光雷達(dá)模塊。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[4]。

表1 D-LIDAR2000激光雷達(dá)的主要參數(shù)

外業(yè)航飛數(shù)據(jù)采集中,對(duì)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行航空雷達(dá)數(shù)據(jù)采集,獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)等各類(lèi)航測(cè)的原始數(shù)據(jù)。按照航帶設(shè)計(jì)參數(shù)飛行,按照設(shè)計(jì)參數(shù)采集數(shù)據(jù)(雷達(dá)、導(dǎo)航),如果數(shù)據(jù)存在漏洞及質(zhì)量問(wèn)題,組織進(jìn)行補(bǔ)攝或重?cái)z。為提升補(bǔ)攝單條航線的穩(wěn)定性及質(zhì)量,補(bǔ)攝或重?cái)z時(shí)需將重疊度不足或漏片的航線上下各延長(zhǎng)一條航線。外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查,包括航帶覆蓋、數(shù)據(jù)遺漏、地面數(shù)據(jù)檢查等,進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

外業(yè)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后需進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,應(yīng)用飛馬智激光軟件,在新建項(xiàng)目中輸入工程名稱(chēng)、工程路徑、激光系統(tǒng),點(diǎn)擊云解算,選擇合適的視場(chǎng)角度,點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕,開(kāi)始點(diǎn)云解算,進(jìn)行特征提取,按照默認(rèn)參數(shù)點(diǎn)擊開(kāi)始,再點(diǎn)擊航帶平差,點(diǎn)擊計(jì)算刪除較大且無(wú)連續(xù)性偏差值的點(diǎn)。進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及測(cè)區(qū)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置,對(duì)完成坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換點(diǎn)云的精度進(jìn)行檢查。導(dǎo)出數(shù)據(jù),設(shè)置輸出路徑[5]。

1.4 點(diǎn)云分類(lèi)

點(diǎn)云分類(lèi)分為點(diǎn)云自動(dòng)分類(lèi)及點(diǎn)云手動(dòng)分類(lèi)兩種。自動(dòng)分類(lèi)是應(yīng)用算法及模型對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)及分割,以識(shí)別不同的物體或場(chǎng)景。手動(dòng)分類(lèi)是以人工干預(yù)的方式對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi),在自動(dòng)分類(lèi)基礎(chǔ)上進(jìn)行精確分類(lèi)。進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)前,將明顯低于地面的點(diǎn)、高于地表目標(biāo)的點(diǎn)及運(yùn)動(dòng)地物點(diǎn)作為噪聲點(diǎn)剔除[1,6]。

1.4.1 自動(dòng)分類(lèi)

自動(dòng)分類(lèi)應(yīng)用飛馬智激光軟件,打開(kāi)無(wú)人機(jī)管家中的智點(diǎn)云模塊,添加激光原始數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)格式點(diǎn)云),完成新建項(xiàng)目,在完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)。依據(jù)植被密集區(qū)域地物特征進(jìn)行地面點(diǎn)、植被點(diǎn)及建筑物點(diǎn)分類(lèi),如地面點(diǎn)提取,需設(shè)置如高度閾值、坡度閾值等;建筑物提取需設(shè)置建筑物的高度閾值、體積閾值等;植被分類(lèi)需設(shè)置NDVI閾值、高度閾值等;目標(biāo)檢測(cè)需設(shè)置車(chē)輛的高度、體積閾值等。本項(xiàng)目地面點(diǎn)自動(dòng)分類(lèi)前后效果對(duì)比如圖3所示。

圖3 地面點(diǎn)分類(lèi)前后效果

植被點(diǎn)云分類(lèi)的參數(shù)設(shè)置可根據(jù)一般植被默認(rèn)參數(shù)設(shè)置,低植被0.5～1 m、中植被1～3 m、高植被3 m以上。

建筑物點(diǎn)分類(lèi)的參數(shù)設(shè)置可默認(rèn)設(shè)置,自動(dòng)分類(lèi)算法主要通過(guò)分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的形狀、幾何特征、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息集成相關(guān)算法,對(duì)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

1.4.2 人工分類(lèi)

點(diǎn)云人工交互編輯分類(lèi)使用TerraSolid軟件,經(jīng)過(guò)人工判斷地形、地物,將粗處理時(shí)歸錯(cuò)層的點(diǎn)進(jìn)行人工歸層。

植被點(diǎn)云人工分類(lèi)。植被密集覆蓋區(qū)域(如點(diǎn)云判斷,平均樹(shù)高大于10 m;影像輔助判斷,樹(shù)木連續(xù)覆蓋面積大于100 m2)較少激光點(diǎn)穿透到地面,分類(lèi)發(fā)現(xiàn)與其他區(qū)域地面點(diǎn)高程相近的激光點(diǎn)歸入地面層,否則歸入非地面點(diǎn)層。若無(wú)較低激光點(diǎn),點(diǎn)云剖面比較平滑,此時(shí)需與其他區(qū)域比較,用影像輔助進(jìn)行正確判斷。進(jìn)行拉剖面重新歸類(lèi),高層較低的貼近地表的為地面點(diǎn),呈團(tuán)狀的為非地面點(diǎn)(植被點(diǎn)云)。

建筑物點(diǎn)云人工分類(lèi)。結(jié)合粗略正射影像,一些建筑物頂面的點(diǎn)云沒(méi)有或部分歸入非地面點(diǎn)層時(shí),需通過(guò)剖面將建筑物頂面的點(diǎn)云歸入非地面點(diǎn)層,建筑物頂面以上的附屬設(shè)施歸為非地面點(diǎn)層。錯(cuò)歸為Ground層的建筑物表面點(diǎn)、地面上的雜物點(diǎn),需歸入非地面點(diǎn)層,如建筑物墻角或墻面點(diǎn)、圍墻上的點(diǎn)(含墻面)、露天設(shè)備、煤堆上的點(diǎn)(被吸收、比較少)及草堆、箱子、垃圾等臨時(shí)性堆積物上的點(diǎn),如圖5所示,靠近地表位置的為地面點(diǎn),呈規(guī)則形態(tài)的為非地面點(diǎn)(建筑點(diǎn)云)。

圖5 建筑物模型及點(diǎn)云剖面效果

2 DEM成果輸出

點(diǎn)云自動(dòng)及人工分類(lèi)完成后需進(jìn)行數(shù)據(jù)檢核,選擇檢核點(diǎn)路徑,設(shè)置數(shù)據(jù)起始行與X/Y/Z列數(shù),導(dǎo)入檢核點(diǎn)檢核,如果精度滿(mǎn)足規(guī)范要求則點(diǎn)擊“成果輸出-DEM”,設(shè)置輸出DEM的類(lèi)型、分辨率,選擇構(gòu)建DEM的點(diǎn)云類(lèi)別,利用地面點(diǎn)構(gòu)建并輸出DEM,輸出的DEM格式為.TIF。輸出的DEM成果如圖6所示。

圖6 測(cè)區(qū)DEM成果

研究結(jié)果可促進(jìn)機(jī)載LiDAR技術(shù)的智能化及高效化發(fā)展,更好地服務(wù)于地質(zhì)地形研究。