機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的數(shù)據(jù)處理與4D產(chǎn)品制作①

李淑琴

（河南省遙感測繪院，河南 鄭州450003）

0 引 言

地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)發(fā)展到今天，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)獲取的效率和手段提出了更高的要求。數(shù)字立體攝影測量工作站雖然早已普及并且成熟，但是從工作流程和工作模式來看，生產(chǎn)周期太長，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前信息社會(huì)的快速發(fā)展的需要，也不能滿足“數(shù)字城市”對(duì)測繪的要求。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種新型的遙感方式——機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）逐漸嶄露頭角，它是一種通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對(duì)象表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)地表信息提取和三維場景重建的對(duì)地觀測技術(shù)，是集激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一體的主動(dòng)式空間測量系統(tǒng)［1]，其中LiDAR獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過地面的信息處理而生成逐個(gè)地面采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，經(jīng)過綜合處理而得到沿一定條帶的地面區(qū)域三維定位與成像結(jié)果，如高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)、高分辨率DOM、DEM、DSM、DLG等。具有空間與時(shí)間分辨率高、動(dòng)態(tài)探測范圍大、不依賴太陽光照所以能夠全天候工作、能夠部分穿透植被遮擋、直接獲取真實(shí)地表高精度三維信息等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地面數(shù)據(jù)探測和模型恢復(fù)、重建等方面，逐漸成為高精度地表三維模型獲取的重要手段，由于LiDAR系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的靈敏度較低，同時(shí)高能激光源能夠在海岸水域測量水下地形，在地形測繪、三維城市建模、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域也都具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求，所以，LiDAR系統(tǒng)逐漸成為最先進(jìn)的遙感系統(tǒng)之一，它將為測繪行業(yè)和地理信息系統(tǒng)的發(fā)展帶來一場新的技術(shù)革命。

LiDAR系統(tǒng)屬于先進(jìn)的主動(dòng)傳感系統(tǒng)，它是利用激光作為傳感載體，它獲取的數(shù)據(jù)包括GPS軌跡數(shù)據(jù)、INS飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)和激光掃描鏡擺動(dòng)角度等，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，可以獲取測點(diǎn)的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于激光掃描技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光掃描設(shè)備的精度和掃描頻率越來越高，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的體積極大，因此，海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速處理是LiDAR應(yīng)用的關(guān)鍵，而點(diǎn)云的濾波和分類是其中的關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于自動(dòng)分類沒有濾掉的部分粗差和激光點(diǎn)需要人工交互編輯，最后進(jìn)行內(nèi)插等運(yùn)算生成高精度的DSM和DEM.

機(jī)載激光雷達(dá)在地表三維信息獲取方面的巨大優(yōu)勢(shì)使其在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的前景。LiDAR技術(shù)在我國的應(yīng)用和研究剛剛起步，其中利用LiDAR進(jìn)行困難地區(qū)DEM、DOM、DLG數(shù)據(jù)的生產(chǎn)是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。研究LiDAR點(diǎn)云的濾波和分類等關(guān)鍵技術(shù)，并不斷拓展Li－DAR的應(yīng)用領(lǐng)域，為數(shù)字城市建設(shè)、交通設(shè)計(jì)、電力勘測設(shè)計(jì)、災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測等方面應(yīng)用提供服務(wù)［2]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理就是對(duì)航空攝影所獲取的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分類、編輯等處理，以獲得滿足4D（DSM、DEM、DOM、DLG）制作要求的參數(shù)和數(shù)據(jù)。

1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波、分類與編輯

由于LIDAR激光系統(tǒng)掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在形式上比較分散，光斑密度不同，空間分布不規(guī)則，無法適應(yīng)大比例尺制圖和城市精細(xì)的三維建模需要，這就需要我們進(jìn)行數(shù)據(jù)分塊、自動(dòng)濾波和分類、手動(dòng)精細(xì)濾波分類，才能輸出滿足要求的DEM數(shù)據(jù)。

機(jī)載LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理的作業(yè)流程如下：

點(diǎn)云數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)分塊（TSCAN）→自動(dòng)濾波、分類（TMODEL）→手動(dòng)濾波、分類（TMODEL）→輸出DEM、分類結(jié)果（TSCAN）.

1.2 自動(dòng)濾波

在TSCAN和TMODEL模塊中首先對(duì)Li－DAR原始數(shù)據(jù)點(diǎn)建立網(wǎng)格分塊索引，并利用編寫的宏命令逐塊進(jìn)行濾波分類，以區(qū)分出地面點(diǎn)、水域、建筑物、植被等不同類別。

反復(fù)調(diào)整宏命令中的參數(shù)以獲取較好的分類精度，以便減少手動(dòng)濾波分類的工作量。

1.3 手動(dòng)分類

1）分類的原則

①地貌、土質(zhì)以及與地面相連而成的道路、河流、亂掘地、高臺(tái)等地物應(yīng)表示；②建筑物、高塔等人工地物（如立交橋）、植被、臨時(shí)地物（如臨時(shí)土堆等靜地物，車輛、行人、飛鳥等動(dòng)地物）、架空的管道、電線、以及電線塔、廣告牌等地物粗差點(diǎn)應(yīng)濾除；③地物尺寸小于產(chǎn)品要求格網(wǎng)間距的以及地物相對(duì)高差小于相應(yīng)比例尺DEM中誤差的都可做忽略處理；④對(duì)于制作DEM需要濾除的地物（如建筑物等）應(yīng)放到相應(yīng)的類別。

2）分類要求

對(duì)自動(dòng)分類的成果參照獲取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)精細(xì)分類濾波，以獲得高精度的數(shù)字高程模型。結(jié)合項(xiàng)目要求，將LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)分為Ground、Water、Noise、Default、Temp五類。粗分如下：

①將噪音點(diǎn)（由激光脈沖被吸收或反射形成的如水，云或煙霧等在近紅外波段會(huì)吸收激光脈沖，而玻璃、金屬等會(huì)反射脈沖等因素造成不規(guī)則的返回值）、水面上的船只、較高的汽車和其他無法判斷的零散激光點(diǎn)歸入Noise；②將河流、湖泊、水庫等水面上的點(diǎn)歸入Water；如果是干涸或部分干涸的河流、湖泊等，其裸露部分要?dú)w入Ground；③橋面的點(diǎn)歸入bridge；但高架的公路、立交橋架空部分且底部有較寬涵洞穿過的公路、橋梁等，所有架空部分都要?dú)w入Default；④地面上的一些特殊地物，形狀一般比較規(guī)則，人工搭建用作舞臺(tái)、講臺(tái)等，歸入Default；⑤其他如建筑物墻角或墻面點(diǎn)、圍墻上的點(diǎn)煤堆草堆上的點(diǎn)等均為Ground；⑥將房屋表面的點(diǎn)、樹木上的激光點(diǎn)要?dú)w入Default；⑦工廠內(nèi)輸氣管道以及機(jī)器設(shè)備，以及電力線、通信線、管道和垣柵等點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸入Default.

1.4 水域置平處理步驟與方法

在點(diǎn)云分類前應(yīng)先進(jìn)行水域置平處理，步驟如下［3]：

1）在Microstation中定值（常水位高程值）畫水域邊界范圍線，統(tǒng)一歸層；

2）將水域邊界線內(nèi)的所有Ground類點(diǎn)云歸到Water類中；

3）將逐個(gè)水域所有范圍線畫完后，參考范圍線內(nèi)的已有Water層點(diǎn)云，統(tǒng)一修改指定線高度，保證閉合多邊形高度同高并符合實(shí)際情況；

4）關(guān)閉所有點(diǎn)云層，選中全部所畫水域范圍線，在 Terramodel中進(jìn)行 Triangulate Survey（Create Surfaces工具欄），然后使用Insert Breakline Element工具參考閉合多邊形內(nèi)插特征點(diǎn)；

5）將生成的水域邊界點(diǎn)導(dǎo)出生成xyz文本格式文件，在Terrascan中讀入，將該文件和原始點(diǎn)云文件一起保存，并將所有線上特征點(diǎn)分到Temp類。

2 4D產(chǎn)品制作

2.1 DEM制作及地貌要素提取

1）DEM制作

對(duì)經(jīng)過自動(dòng)濾波、手動(dòng)精細(xì)分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。先打開結(jié)合表圖層，選擇需要輸出的圖框及圖幅號(hào)，導(dǎo)出DEM（選擇Ground和Temp類），設(shè)置DEM的格式、各內(nèi)插參數(shù)、格網(wǎng)間距及坐標(biāo)系統(tǒng)，生成最終DEM數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理一般在WGS－84坐標(biāo)系下進(jìn)行，因此，輸出DEM時(shí)應(yīng)根據(jù)測區(qū)解算的轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)DEM成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2）地貌要素提取與編輯

利用DEM數(shù)據(jù)在Terrascan中生成等高線，并按不同比例尺要求提取高程注記點(diǎn)及坎上坎下的對(duì)點(diǎn)。

等高線生成時(shí)可對(duì)DEM進(jìn)行抽稀，并對(duì)初步等高線進(jìn)行圓滑編輯，處理好等高線與不同地物之間的相對(duì)關(guān)系，以便滿足用圖需要。

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1，2所示，生成的DEM如圖3所示。

2.2 DOM 制作

建立LPS工程，依靠相機(jī)檢校后的外方位元素和原始TIFF影像，由自動(dòng)濾波后生成的DEM，對(duì)航攝像片進(jìn)行逐片數(shù)字微分糾正生成單片數(shù)字正射影像，此正射影像用于輔助點(diǎn)云分類使用的粗略的正射影像，然后檢查正射影像是否清晰，房屋是否變形，橋梁是否扭曲等，對(duì)滿足要求的單片數(shù)字正射影像直接拼接。如發(fā)現(xiàn)橋梁扭曲，需要重新對(duì)點(diǎn)云作如下處理：將橋上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)歸入Ground類，將變形區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)定值，使橋梁置平，對(duì)多層立交橋逐層定值，對(duì)有高低變化較大的橋梁逐段定值，再和地面點(diǎn)一起構(gòu)TIN生成DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字微分糾正，盡可能使糾正過的正射影像達(dá)到最佳的視覺效果。

對(duì)上述符合要求的單片正射影像再進(jìn)行鑲嵌、調(diào)色、裁切后最終生成一幅完整的正射影像圖，如圖4所示。

圖4 數(shù)字正射影像

2.3 DSM 制作

通過自動(dòng)濾波和手工精細(xì)分類獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接構(gòu)TIN生成滿足規(guī)則格網(wǎng)要求的數(shù)字地面模型（DSM），如圖5所示。

圖5 DSM數(shù)據(jù)

2.4 DLG制作

有了DSM和DOM，制作數(shù)字線劃圖DLG就容易多了，其流程如圖6所示。

圖6 數(shù)字線劃圖DLG制作

3 機(jī)載激光雷達(dá)在建立真三維場景中的運(yùn)用

傳統(tǒng)的三維建模方式（依據(jù)數(shù)字線劃圖DLG建立模型，用外業(yè)實(shí)地拍攝或航空攝影的數(shù)碼照片進(jìn)行貼圖處理）從理論上講是偽三維，對(duì)還原真實(shí)場景還有一段差距，從攝影測量方面還存在著自動(dòng)化程度不高，在沙漠、沿海灘途以及茂密森林地區(qū)，影像紋理和對(duì)比度減弱，勢(shì)必會(huì)影響影像的匹配結(jié)果，從真實(shí)意義上講，只能做到相似，而無法做到真三維再現(xiàn)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的出現(xiàn)或許能解決三維場景還原的真假問題，能彌補(bǔ)攝影測量技術(shù)在上述技術(shù)領(lǐng)域和區(qū)域的缺陷和不足。因?yàn)榧す恻c(diǎn)云是反應(yīng)真實(shí)場景的大地坐標(biāo)分布，已經(jīng)有很多機(jī)構(gòu)在研究和探索用機(jī)載激光雷達(dá)和傾斜相機(jī)還原真實(shí)場景的課題，相信不久的將來，能大大減輕制作4D的作業(yè)周期，真實(shí)再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活場景。

4 結(jié) 論

通過對(duì)獲取的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪聲和濾波處理，可以直接得到數(shù)字高程模型DEM及數(shù)字地面模型DSM，相對(duì)于攝影測量技術(shù)獲取DEM、DSM來說，LIDAR比較高效、快捷地采集DSM、DEM，周期短，而且人工干預(yù)的工作量小。在不需要采集影像的情況下，LIDAR可以全天候采集；LIDAR對(duì)于植被有一定的穿透能力，對(duì)于地形比較復(fù)雜的地區(qū)，LIDAR采集具有明顯優(yōu)勢(shì)；LIDAR采集所需外業(yè)控制點(diǎn)很少，特別適合外業(yè)困難的地區(qū)航測；LIDAR在DSM、DEM數(shù)據(jù)生成方面，自動(dòng)化程度比傳統(tǒng)方法提高數(shù)倍，特別適合大規(guī)模地形測量作業(yè)。但是機(jī)載激光雷達(dá)在數(shù)據(jù)處理的算法上還不太成熟，在測區(qū)植被較厚的地方，存在誤差比較大，因此，LIDAR在構(gòu)建DEM的過程還有待進(jìn)一步的探索和優(yōu)化。此外，用機(jī)載激光雷達(dá)和傾斜相機(jī)還原真實(shí)三維場景勢(shì)必鞏固LIDAR的重要性。

［1]仇肇悅，李 軍，郭宏俊.遙感應(yīng)用技術(shù)［M].武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1995.

［2]徐冠華，李德仁，劉先琳.遙感在中國［M].北京：測繪出版社，1996.

［3]楚長春，麻風(fēng)海.三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)在 MicroStation下的處理研究［J].測繪與空間地理信息，2007（10）：114－116.