機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理及應(yīng)用

劉全海，冉慧敏

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079； 2.常州市測繪院，江蘇常州 213002)

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理及應(yīng)用

劉全海1，2?，冉慧敏2

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢 430079； 2.常州市測繪院，江蘇常州 213002)

機(jī)載LiDAR作為一種高效的空間數(shù)據(jù)采集方法得到了有效的推廣和應(yīng)用，利用機(jī)載LiDAR可以提取多種數(shù)據(jù)，特別是在提取DEM具有很多優(yōu)勢，其成果數(shù)據(jù)在城市測繪工作中可以多方面應(yīng)用，如建筑物高度提取，城市整體的DEM，等高線提取等。本文以常州為例，介紹了機(jī)載LiDAR的后處理、DEM提取以及在城市測繪中的應(yīng)用范例。

：LiDAR；后處理；DEM

1 引 言

隨著GPS和INS(Inertial Navigation System)組合定位精度的提高，利用LiDAR(Light Detection And Ranging)數(shù)據(jù)制作DTM和DEM已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，機(jī)載LiDAR由于其高效、精確、全天候等特點(diǎn)，近幾年其應(yīng)用發(fā)展十分迅猛[1]。

機(jī)載LiDAR技術(shù)通過應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行三維的空間測量，得到密集的地面物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。LiDAR系統(tǒng)采用主動方式獲取數(shù)據(jù)，其激光脈沖受陰影和太陽角度的影響較小，且有穿透性，能夠穿過云層和植物枝葉的縫隙，受氣候影響小。因此與傳統(tǒng)的攝影測量相比，LiDAR數(shù)據(jù)對天氣、季節(jié)以及時(shí)段要求較小，并且可以快速地獲取三維空間信息。

LiDAR系統(tǒng)獲取的高程數(shù)據(jù)，其精度不受航高限制，因此能夠結(jié)合數(shù)字航攝儀，并經(jīng)過專用軟件處理，可在空中完成地面的DEM、DTM、DSM以及數(shù)字正射影像圖DOM的大規(guī)模生產(chǎn)，從而大大提高航測成圖的作業(yè)生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，并且在一定程度上提高成圖精度。結(jié)合LiDAR數(shù)據(jù)和高分辨率影像，自動提取房屋及道路邊線[2]，成為快速數(shù)據(jù)采集和三維建模的方向。國內(nèi)外很多學(xué)者在點(diǎn)云濾波算法及自動提取算法做了大量的研究，在機(jī)載數(shù)據(jù)的處理方面開發(fā)了很多工具。但在機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)際使用中，還有如高程異常批量改正、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、專題信息分類提取、DEM數(shù)據(jù)再編輯等后處理問題以及機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的高效、多元應(yīng)用方面還需要深入探討。

2 機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的后處理

通過機(jī)載LiDAR獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對LiDAR點(diǎn)云的處理和分類研究集中在點(diǎn)云的濾波分類，常用的濾波算法有數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波、移動窗口濾波、迭代線性最小二乘濾波等[4]。許多學(xué)者在這方面做了大量的研究并取得了大量成果。這些研究側(cè)重于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類與濾波提取方面，而且其分類和提取的主要生產(chǎn)工作集中在機(jī)載航空的處理部門或者研究單位，提供給測繪生產(chǎn)單位時(shí)一般經(jīng)初步處理過的中間成果，因此測繪生產(chǎn)很少能涉及原始數(shù)據(jù)的處理。生產(chǎn)單位獲得初步成果后，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需要進(jìn)行坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、高程異常改正、標(biāo)準(zhǔn)DEM生成、分幅管理等后處理工作。

2.1 點(diǎn)云的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云定位采用GPS/INS系統(tǒng)，其成果為WGS84或CGCS2000下的大地坐標(biāo)B、L及大地高H。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要進(jìn)行基準(zhǔn)間的轉(zhuǎn)換，如CGCS2000到地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的算法很多，較為常用的有布爾沙-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型(也稱七參數(shù)轉(zhuǎn)換)和莫洛金斯基(Molodensky)模型轉(zhuǎn)換。考慮到點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換采用兩種辦法，一是通過開發(fā)專用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序，批量地進(jìn)行統(tǒng)一基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換；二是采用成熟的轉(zhuǎn)換軟件(或工具)進(jìn)行。常州市開發(fā)的專用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換程序可以批量地、快速地處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 點(diǎn)云的高程異常改正

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云成果采用是大地高系統(tǒng)，大地高以參考橢球面為基準(zhǔn)，而常用的正常高以大地水準(zhǔn)面或似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)。因此需要進(jìn)行大地水準(zhǔn)面差距或高程異常改正。常見的方法有基于平面或曲面擬合、配置、三次樣條等幾何內(nèi)插法、殘差模型法、大地水準(zhǔn)面模型法。點(diǎn)云數(shù)據(jù)面廣量大，利用大地水準(zhǔn)面模型實(shí)現(xiàn)高程異常改正是主要方法。EGM2008是最新公布的全球重力場模型，其高程異常精度在我國大陸的整體精度為±0.2m[8]。由李建成院士研制的我國最新陸地?cái)?shù)字高程基準(zhǔn)模型:重力似大地水準(zhǔn)面CNGG2011平均精度為±0.13m，其中東部地區(qū)±0.07m，西部地區(qū)±0.14 m[9]。常州于2004年建立常州區(qū)域內(nèi)的似大地水準(zhǔn)面模型則達(dá)到±0.015 6m[10]。

常州通過利用似大地水準(zhǔn)面模型成果實(shí)現(xiàn)對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高精度、高效和自動批處理，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的高程異常改正。

2.3 點(diǎn)云分類的基本流程

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云分類常用各類成熟的軟件，國內(nèi)有武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃先鋒博士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的分類軟件。以常州的數(shù)據(jù)為例，采用Leica AlS50機(jī)載掃描儀，數(shù)據(jù)處理軟件為TerraSolid系列軟件。TerraSolid系列軟件是芬蘭TerraSolid公司開發(fā)的一套專門處理激光點(diǎn)數(shù)據(jù)的軟件，基于Microstation開發(fā)，能夠較輕松地處理數(shù)百萬的點(diǎn)數(shù)據(jù)，在其豐富的功能模塊中，DEM的提取主要用到TerraMattch，TerraScan，TerraModeler，TerraPhoto這幾個(gè)模塊。其操作流程如圖1所示。

圖1 DEM提取步驟

整個(gè)操作流程中，點(diǎn)分類是非常重要的，只有在正確地分離出植物以及建筑點(diǎn)之后，才能將DEM準(zhǔn)確地提取出來。其中根據(jù)高度來進(jìn)行自動分類主要依賴于工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)及其對作業(yè)區(qū)域地形情況的熟悉程度，需要結(jié)合正射影像剔除特殊地帶如水域、橋梁等地域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取成果如圖2所示。

圖2 DEM提取圖

2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的規(guī)格化及標(biāo)準(zhǔn)DEM的分幅輸出

經(jīng)過TerraSolid生產(chǎn)出來的DEM是文本格式的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，但不能便利地應(yīng)用于測繪工作。在一些城市中，會把DEM建立庫進(jìn)行管理應(yīng)用[5]，在城市測繪院中在此生產(chǎn)過程中，需要切實(shí)結(jié)合城市測繪所用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建立DEM庫，并轉(zhuǎn)換為方便使用的數(shù)據(jù)格式，如IMG，GRID等可視化數(shù)據(jù)格式，也可以按圖幅轉(zhuǎn)換為可直接使用的CAD格式，以供地形圖進(jìn)行提取調(diào)用。

根據(jù)常州本地的應(yīng)用特點(diǎn)，采用三類數(shù)據(jù)進(jìn)行加工以及存儲。

(1)原始分幅的點(diǎn)位的DWG文件存儲，根據(jù)需求獲取經(jīng)過高程異常改正的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分幅存儲。

(2)將所有的數(shù)據(jù)加工成為整張的GRID格式，可提供大范圍的高程數(shù)據(jù)，直觀且便于管理應(yīng)用。

(3)將整張GIRD格式的DEM數(shù)據(jù)分割成標(biāo)準(zhǔn)的格網(wǎng)的DEM，進(jìn)行分幅管理，可為日后的航測等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)在城市測繪中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)集是徠卡ALS50激光雷達(dá)系統(tǒng)所采集的Li-DAR成果數(shù)據(jù)，絕對地理位置位于江蘇省常州市城區(qū)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集基本參數(shù)信息如下:航高約800 m；航飛速度約70 km/h；最大掃描角度24°；最大回波記錄次數(shù)4次；點(diǎn)陣密度約為4 pts/m2；平均點(diǎn)距約0.5m；點(diǎn)云平面誤差小于1.0 m，高程誤差小于0.5 m。

3.1 中小比例尺地形圖高程的獲取

LiDAR點(diǎn)云的數(shù)據(jù)源不同，其精度也不同。不同比例尺的圖形數(shù)據(jù)對高程的精度要求也不同。如比例尺為1∶5 000，1∶10 000的圖形數(shù)據(jù)，其高程數(shù)據(jù)可以從已處理好的DEM中提取，從而代替高程數(shù)據(jù)的外業(yè)采集工作。當(dāng)然，該工作需要激光點(diǎn)云本身具有足夠的精度，如點(diǎn)分類工作要做得足夠好，特別是對農(nóng)田以及山體上的矮小植被的剔除要做得足夠精細(xì)。

3.2 三維渲暈圖的制作

對于常規(guī)的城市測繪GIS數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，除了通常認(rèn)為的矢量地圖和影像地圖等數(shù)據(jù)外，應(yīng)還補(bǔ)充高程數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其除了可以作為電子地圖的底圖，還可作為制圖底圖從而增強(qiáng)地圖的立體感，使得數(shù)據(jù)更為便捷高效。以常州為例，制作山體效果圖如圖3所示。

圖3 DEM山區(qū)成果

3.3 山區(qū)等高線的制作

對于一些較高山體，可以直接通過DEM生成等高線，其真實(shí)性以及便捷性是其他方法無法比擬的，特別是人難以到達(dá)的島嶼或者山區(qū)，此方式非常適用。

3.4 數(shù)字航測用正射影像數(shù)據(jù)的制作

可以將LiDAR提取的DEM成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字航測過程中，特別是針對那些使用傳統(tǒng)手段生產(chǎn)DEM的效果不是特別好的地區(qū)，如山區(qū)等，可以通過這種方式來減少等高線的修補(bǔ)工作量，提高正射影像的生產(chǎn)效率。另外，DEM作為遙感影像數(shù)字正射糾正過程中必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行遙感影像數(shù)字正射糾正時(shí)，采用LiDAR所提取的DEM數(shù)據(jù)，與利用在地形圖上提取高程點(diǎn)所生成的DEM相比，能夠顯著提高正射糾正的效果。

3.5 機(jī)場凈空調(diào)查應(yīng)用

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)非常具有實(shí)用價(jià)值，它能用于需要高程數(shù)據(jù)的項(xiàng)目。如在常州機(jī)場的凈空調(diào)查項(xiàng)目中，可以將激光點(diǎn)位作為主要工作資料，地形圖為輔助工作資料，進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步篩選，篩選出超出限度的高程點(diǎn)，然后初步認(rèn)定其性質(zhì)。從而在一定程度上減輕常州機(jī)場凈空外業(yè)調(diào)查工作量，提高工作效率。篩選流程示意圖及其效果如圖4～圖6所示。

圖4 超高地物初步篩選

圖5 參考面制作

圖6 初步篩選成果

3.6 城市三維建模的應(yīng)用

地面三維激光掃描系統(tǒng)可以快速獲取目標(biāo)對象表面的三維信息，因而在數(shù)字城市、文物保護(hù)以及建筑物三維重建等領(lǐng)域已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[5]。但就大范圍的城市建模而言，影像與LiDAR數(shù)據(jù)信息融合在三維城市建模中，有著更為廣泛的應(yīng)用。以常州數(shù)據(jù)制作為例，將三維的地形模的邊線特征線通過DEM采集高程，則可得到精確的邊線高程，從而為三維數(shù)字城市的地形制作保證了高度精度。同時(shí)可以獲取到道路中心線高程，為準(zhǔn)確的道路制作打好了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。經(jīng)過分類的建筑點(diǎn)位，成為建筑高程提取的可信的數(shù)據(jù)來源。

4 結(jié) 語

LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理是LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用時(shí)必須解決的工作。通過開發(fā)專用的坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換軟件實(shí)現(xiàn)對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的批處理，利用似大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行高程異常改正，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的規(guī)格化及標(biāo)準(zhǔn)DEM的分幅輸出極大地方便了用戶使用。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)在DEM提取、DOM制作、三維建模等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

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寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院加快推進(jìn)測繪新技術(shù)應(yīng)用

(本刊訊)近日，寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院按照國家測繪地理信息局印發(fā)的《測繪地理信息發(fā)展“十二五”總體規(guī)劃綱要》中關(guān)于“加快測繪科技創(chuàng)新，建設(shè)信息化測繪體系”的要求，啟動“車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)”和“靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)”應(yīng)用系列培訓(xùn)，下發(fā)指導(dǎo)文件，扎實(shí)推進(jìn)測繪信息化步伐。

2月下旬，該院下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)應(yīng)用的若干意見》文件，要求在提高認(rèn)識的基礎(chǔ)上，按照“成熟一個(gè)應(yīng)用一個(gè)”的思路推進(jìn)新技術(shù)應(yīng)用?，F(xiàn)已理順作業(yè)流程的規(guī)劃竣工、城市部件采集和地下車位量測項(xiàng)目，要優(yōu)先采用車載系統(tǒng)。同時(shí)研究建立公路測量、文物保護(hù)、數(shù)字工廠和土石方量算等項(xiàng)目的作業(yè)流程，以實(shí)際項(xiàng)目為依托，加快新技術(shù)推進(jìn)。文件還就配合有序、確保生產(chǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、及時(shí)反饋兩個(gè)方面提出了具體要求。

寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院上下聯(lián)動啟動系列培訓(xùn)，院總工辦組織了“車載激光掃描與全景成像城市測量系統(tǒng)”技術(shù)講座。由院一名博士和一名碩士主講，內(nèi)容有地面三維激光掃描技術(shù)發(fā)展概況、車載系統(tǒng)的硬件組成、工作原理、數(shù)據(jù)處理流程、經(jīng)典應(yīng)用案例等。119名專業(yè)技術(shù)骨干參加了學(xué)習(xí)。緊接著該院規(guī)劃一所牽頭組織了“基于靜態(tài)三維激光掃描技術(shù)的建筑竣工測繪”技術(shù)講座。兩名技術(shù)骨干結(jié)合工作實(shí)例對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理(點(diǎn)云的合并及抽稀)、MPC軟件的點(diǎn)云處理過程、點(diǎn)云成圖，靜態(tài)三維激光掃描系統(tǒng)的硬件組成、工作原理、外業(yè)操作流程以及RiscanPro軟件的操作過程進(jìn)行了講解。

新技術(shù)培訓(xùn)主講人理論聯(lián)系實(shí)際，簡單易懂。講座結(jié)束后大家踴躍提問，主講人詳細(xì)回答。靜態(tài)三維激光掃描系統(tǒng)講座后還進(jìn)行了現(xiàn)場MPC軟件操作模擬練習(xí)，練習(xí)人邊體驗(yàn)邊提出自己的感想和建議，其他人緊張記錄，整個(gè)培訓(xùn)內(nèi)容充實(shí)，系統(tǒng)連貫，達(dá)到了較好的效果。

(寧波市測繪設(shè)計(jì)研究院 顧開建供稿)

《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》正式實(shí)施

由北京市勘察設(shè)計(jì)研究院主編的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(CJJ57-2012)經(jīng)住建部2012年11月1日第1514號公告發(fā)布，于今年3月1日起實(shí)施。該規(guī)范的實(shí)施將進(jìn)一步加強(qiáng)城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察工作，為城鄉(xiāng)規(guī)劃選址和相關(guān)地質(zhì)資料管理等提供重要的專業(yè)支撐。參編單位包括:廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院、武漢市勘測設(shè)計(jì)研究院、中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司、建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司、天津市勘察院、北京市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院。

(來源：http：//www.bgi.com.cn)

Airborne LiDAR Data Post-Processing and App lication in Urban Surveying and M apping

Liu Quanhai1，2，Ran Huimin1
(1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；2.Changzhou Mapping and Surveying Institute，Changzhou 213002，China)

The Airborne LIDAR as an effective spatial data acquisitionmethod has gotten effective promotion and application.The LIDAR data can be used to extracta variety of data.In particular，ithas a great advantage to extract DEM，and the results can be widely used in urbanmapping work.Such as building height extraction，the whole city DEM，contour extraction.Take ChangZhou City for example，this paper introduced the postprocessing of airborne LiDAR data、DEM extraction and the application in the city Surveying and Mapping.

LiDAR；DEM；PostProcessing

1672-8262(2013)02-92-04

P237，TP751

A

2013—01—09

劉全海(1972—)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事衛(wèi)星大地測量及三維數(shù)字城市工作。