利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析

蔣桂美，聶 倩，陳小松

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

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利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析

蔣桂美，聶 倩，陳小松

(寧波市測繪設(shè)計研究院，浙江 寧波 315042)

著重分析了利用機載激光點云數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)：預(yù)處理、點云濾波與分類、高精度DEM制作與質(zhì)量評價技術(shù)；建立了基于機載激光點云的DEM生產(chǎn)技術(shù)流程，并將其應(yīng)用于寧波市地理國情普查市情專項——高精度地表模型制作項目中；構(gòu)建了寧波市建成區(qū)規(guī)則格網(wǎng)1∶2000比例尺的高精度DEM模型，為寧波市地理國情普查提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

機載LiDAR；激光點云；DEM

機載激光掃描技術(shù)(LiDAR)是20世紀80年代中期逐漸發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)通過位置、距離、角度等觀測數(shù)據(jù)直接獲取對象表面的三維點云信息，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、空間與時間分辨率高、動態(tài)探測范圍大、主動性強等特點，廣泛應(yīng)用于城市大比例尺測圖、林業(yè)調(diào)查、電力巡線等各個領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比，機載LiDAR技術(shù)不受日照、天氣影響，可全天候主動快速獲取精確的高分辨率數(shù)字地面模型及地物的三維坐標(biāo)，具備采集速度快、高程精度高、成圖周期短等特點。因此，利用機載LiDAR數(shù)據(jù)快速完成數(shù)字高程模型(DEM)的大規(guī)模生產(chǎn)，已成為最近幾年測繪生產(chǎn)及其他領(lǐng)域的一個研究和應(yīng)用熱點。

本文結(jié)合機載LiDAR技術(shù)的工作原理和點云數(shù)據(jù)特點，著重分析利用機載激光點云數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)，即激光點云濾波與分類、點云數(shù)據(jù)內(nèi)插、DEM構(gòu)建與評價，建立基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的DEM生產(chǎn)技術(shù)流程，并將其應(yīng)用于寧波市地理國情普查市情專項——高精度地表模型制作項目中，構(gòu)建寧波市建成區(qū)規(guī)則格網(wǎng)1∶2000比例尺的高精度DEM模型。項目試驗結(jié)果表明，該技術(shù)流程與方法正確可行，成果質(zhì)量優(yōu)良，滿足測繪產(chǎn)品的要求。

1 機載LiDAR技術(shù)工作原理

機載LiDAR技術(shù)是全三維測量模式，它以飛機為載體，集成激光掃描系統(tǒng)、GPS和慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)3個基本的數(shù)據(jù)采集工具及控制單元系統(tǒng)等其他設(shè)備于一體，從而獲取地面的三維空間信息。其中，激光掃描系統(tǒng)以脈沖激光測距作為主要技術(shù)手段，以激光束掃描的工作方式測量從傳感器到地物對象的激光照射點間的距離，即通過測量地面采樣點激光回波脈沖相對于發(fā)射激光主波之間的時間延遲得到傳感器到地面采樣點之間的距離[3-6]，同時還可以獲得反射率、激光脈沖回波次數(shù)等信息；GPS接收機用于確定激光發(fā)射點的空間位置；IMU測量激光發(fā)射瞬間激光的空間姿態(tài)參數(shù)。機載LiDAR系統(tǒng)通過激光掃描系統(tǒng)獲得激光點的距離信息，結(jié)合由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的激光發(fā)射點空間位置和姿態(tài)信息，可以解算出激光腳點在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下的三維坐標(biāo)，即一系列離散的、空間分布不規(guī)則的三維點云數(shù)據(jù)，具體流程如圖1所示。

圖1 機載激光點云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

機載激光點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將航飛過程中獲得的差分GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算獲得定位定姿數(shù)據(jù)，然后利用聯(lián)合定位定向數(shù)據(jù)、原始點云信息及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)進行解算，獲得每一個激光點的在WGS-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。根據(jù)項目成果需要，將LiDAR點云數(shù)據(jù)由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系或CGCS2000坐標(biāo)系，所得結(jié)果為隨機分布的帶有高程、位置和強度信息的激光點云。此外，由于機載LiDAR系統(tǒng)獲得的海量點云數(shù)據(jù)中包含了大量的粗差和系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)進行粗差檢測和剔除處理，即剔除極高點和極低點。

2.2 激光點云濾波與分類

機載LiDAR系統(tǒng)獲取的原始點云數(shù)據(jù)是離散的孤立點，其主要的數(shù)據(jù)值為回波信號點的三維空間坐標(biāo)及一些附帶的屬性信息(如強度、反射波次數(shù)等)，點與點之間不存在任何拓撲關(guān)系[7-9]。機載激光點云濾波技術(shù)是指從離散的點云數(shù)據(jù)中區(qū)分出地面點和非地面點的過程，其基本原理是基于鄰近激光腳點間的高程突變(一般不是由地形的突然起伏變化所造成的)，進行濾波計算時需要設(shè)置一定的閾值，判斷激光腳點是否位于地形表面[10-11]。利用機載激光點云數(shù)據(jù)制作DEM時濾波與分類具體流程可概況為：按照回波次數(shù)分類—地面點分類—水系分類。

(1) 按照激光回波次數(shù)分類。由于機載激光具有穿透性，導(dǎo)致在掃描過程中不同的地物有著不同的回波次數(shù)和強度信息，當(dāng)激光脈沖照射到建筑物頂部或裸露的地表時只產(chǎn)生一次回波，而激光脈沖照射到植被時，由于激光信號可以穿透植被從而形成多次回波。因此，可對多次回波中的最后一次回波數(shù)據(jù)和僅一次回波的激光數(shù)據(jù)進行提取，從而濾除大量非地面點。

(2) 地面點自動分類。通過反復(fù)建立地表三角網(wǎng)模型的方式分離出地表點，并反復(fù)加入新的激光點擴展模型，確保每個加入的激光點使得模型更加貼近地表，從而最終得到一個近似的地表面[12-13]。具體分類方法為：首先設(shè)定測區(qū)內(nèi)的最大房屋尺寸，選擇少許局部激光低點，確保該局部激光低點間的距離不小于最大房屋尺寸；其次基于上述低點構(gòu)建初始三角網(wǎng)，假定該三角網(wǎng)的最高頂點貼合地面，并通過不斷迭代將該初始三角網(wǎng)上方的點加入以構(gòu)建新模型，從而得到一個近似的地表面。

(3) 人機交互分類。自動分類后的數(shù)據(jù)可以獲得概略地形地貌，但存在一些錯分或誤分激光點云數(shù)據(jù)，同時一些小的地形不連續(xù)部分也會被平滑或去掉，因此需要通過人機交互方式分類。人機交互分類方法是指參照高分辨率影像，通過人工判斷的方式對自動分類的結(jié)果進行修正或?qū)μ囟ǖ匚镱悇e進行分類?？赏ㄟ^建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN格網(wǎng))，對區(qū)域內(nèi)的整體點云進行分類，剔除坑點或突出點，細部可再根據(jù)橫截面修正。由于建筑物規(guī)模和形態(tài)變化較為復(fù)雜，需以人機交互分類為主。水系一般無激光回波，但也存在渾濁水體稀疏回波現(xiàn)象，需要結(jié)合影像和周圍地形進行判斷。

2.3 DEM構(gòu)建與評價

DEM主要基于TIN格網(wǎng)構(gòu)建，即對于濾波分類的地面點云數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件創(chuàng)建TIN，構(gòu)建約束三角網(wǎng)模型，并進一步生成規(guī)則格網(wǎng)Grid格式的DEM數(shù)據(jù)[14-15]。

3 試驗與分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)

本文試驗數(shù)據(jù)采用寧波市第一次地理國情普查市情專項——高精度地表模型制作項目所實施的機載激光雷達航飛數(shù)據(jù)，具體試驗區(qū)為寧波慈城鎮(zhèn)，如圖2所示。該地區(qū)三面環(huán)山，地形北高南低，采用傳統(tǒng)測量方法獲取高精度DEM數(shù)據(jù)需要大量的人力物力投入。該區(qū)域LiDAR數(shù)據(jù)獲取時間為2015年底，采用瑞士AHAB公司的蝙蝠機載激光雷達水文/陸地測量系統(tǒng)，以運-12固定翼飛機作為飛行平臺，點云密度為每平方米不少于6個點，影像分辨率優(yōu)于20 cm，要求制作1∶2000比例尺精度的DEM成果。圖3為獲取的機載激光點云數(shù)據(jù)。

圖2 慈城鎮(zhèn)區(qū)域

3.2 試驗結(jié)果與分析

利用TerraSolid軟件對試驗區(qū)激光點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、濾波與分類、點云數(shù)據(jù)內(nèi)插，最后得到DEM。圖4為所有激光點云形成的DSM，圖5為點云濾波分類后地面點所形成的DEM產(chǎn)品。

對于DEM成果質(zhì)量，內(nèi)業(yè)采用人機交互檢查的方法檢查發(fā)現(xiàn)，點云數(shù)據(jù)存在的少數(shù)漏分或錯分現(xiàn)象；外業(yè)采用實測并與1∶500地形圖比對的方式檢查DEM的精度情況，其精度統(tǒng)計見表1。檢測結(jié)果表明：采用本文技術(shù)路線制作的DEM中誤差小于10 cm，滿足項目設(shè)計的要求。

圖3 機載激光點云數(shù)據(jù)

圖5 DEM結(jié)果

4 結(jié) 語

本文主要介紹了利用LiDAR激光點云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的技術(shù)流程和方法。試驗表明，本文的技術(shù)路線能夠滿足現(xiàn)階段城市大比例尺DEM生產(chǎn)的需要。

表1 DEM成果精度統(tǒng)計

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Key Technologies Analysis of DEM Production Based on LiDAR Data

JIANG Guimei,NIE Qian,CHEN Xiaosong

(Ningbo Institution of Surveying and Mapping, Ningbo 315042, China)

The paper focuses on the analysis of the key steps of extracting DEM from airborne-LiDAR data， including point cloud data preprocessing, the data filtering and classification, high precision DEM manufacturing and quality evaluation. In this paper, the DEM production technology process based on airborne-LiDAR data is established, and will be used onacitysituationspecialsurveyofgeographicalconditions：highprecisionsurfacemodelingprojectinNingbo. A high precision DEM model of 1∶2000 scale rule grid of Ningbo built-up area is constructed which provides a data base for the survey of geographical conditions in Ningbo.

airborne-LiDAR; laser cloud points; DEM

蔣桂美，聶倩，陳小松.利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析[J].測繪通報，2017(6)：90-93.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0197.

2016-10-26

寧波市科協(xié)資助項目(X201601-3)

蔣桂美(1982—)，女，工程師，研究方向為攝影測量與遙感、地理信息系統(tǒng)。E-mail：xiaomeijgm@126.com

P23

A

0494-0911(2017)06-0090-04