機載激光(guāng)雷達（LiDAR）點雲數據結構特點及處理(lǐ)流程

　　1、引言

　　機載激光(guāng)雷達（LiDAR，Light Detection and Ranging)主要包括激光(guāng)測距系統、光(guāng)學機械掃描單元、控制記錄單元、全球定位系統(Global Position System, GPS)、慣性測量系統(Inertial Measurement Unit，IMU)以及一套成像設備。機載LiDAR系統以飛(fēi)機爲載體，按設計航帶獲取高(gāo)精度、高(gāo)分(fēn)辨率的(de)地表三維坐(zuò)标數據，這(zhè)時(shí)一種全新的(de)技術手段，其數據獲取和(hé)處理(lǐ)方式彌補了(le)傳統攝影(yǐng)測量的(de)缺陷，使得(de)數據生産朝智能化(huà)和(hé)自動化(huà)的(de)方向更進了(le)一步。

　　Lidar的(de)出現不僅使得(de)攝影(yǐng)測量的(de)數據獲取能力有了(le)空前的(de)提高(gāo)，也(yě)給數據處理(lǐ)和(hé)信息提取提出了(le)新的(de)要求。之前攝影(yǐng)測量技術主要集中在影(yǐng)像數據的(de)光(guāng)譜信息處理(lǐ)上，而Lidar獲取的(de)三維空間數據是一系列随機離散的(de)不規則點，其在三維空間的(de)分(fēn)布形态爲數據點雲，可(kě)以稱爲數字表面模型（Digital Surface Model-DSM）。在這(zhè)些激光(guāng)腳點中，有的(de)點位于真實的(de)地形表面，有的(de)點位于地物(wù)或植被頂面上，要得(de)到通(tōng)常說的(de)Digital Terrain Models-DTM 或者 DEM，還(hái)需進行後續處理(lǐ)。而自從 Lidar的(de)出現，其數據處理(lǐ)研究一直是該領域的(de)熱(rè)點或難點，其中濾波算(suàn)法是重要的(de)處理(lǐ)手段。

　　2、LiDAR數據結構特點及處理(lǐ)流程

　　2.1 LIDAR數據組成及存儲格式

　　機載LiDAR對(duì)地表目标信息采集過程中，各個(gè)部件都采集相對(duì)應的(de)信息數據，主要有同步時(shí)間數據、DGPS定位數據、IMU姿态參數數據等過程數據，以及坐(zuò)标數據、回波強度數據等結果數據。目前各種類型的(de)商用(yòng)機載LiDAR所采集的(de)數據也(yě)存在很大(dà)差别，在實際應用(yòng)中，常用(yòng)的(de)信息爲激光(guāng)脈沖返回的(de)地物(wù)的(de)點雲幾何數據（坐(zuò)标數據）、激光(guāng)強度數據和(hé)激光(guāng)回波數據等。

　　2.1.1數據組成

　　1.幾何數據

　　LiDAR 主要由 GPS、IMU 以及激光(guāng)測距儀解算(suàn)出來(lái)的(de)空間三維坐(zuò)标數據組成，它記錄了(le)整個(gè)飛(fēi)行區(qū)域的(de)所有地物(wù)地形點的(de) 3D 空間信息，通(tōng)過坐(zuò)标解算(suàn)和(hé)轉換完成整個(gè)地物(wù)區(qū)域的(de)大(dà)地坐(zuò)标換算(suàn)。也(yě)是核心數據部分(fēn)。

　　2 .激光(guāng)強度數據

　　接收機接收的(de)反射激光(guāng)脈沖束與測距儀發射的(de)激光(guāng)脈沖束能量比稱爲激光(guāng)雷達的(de)回波強度。激光(guāng)強度信号反映的(de)是地表物(wù)體對(duì)激光(guāng)信号的(de)響應特征，激光(guāng)束的(de)回波強度與激光(guāng)束照(zhào)射到的(de)地面及地物(wù)的(de)類型有關，不同材質目标反射的(de)激光(guāng)強度也(yě)不同，因此可(kě)以利用(yòng)回波強度信息對(duì)反射強度差異較大(dà)的(de)區(qū)域進行濾波、分(fēn)類。

　　3.激光(guāng)回波數據

　　不同的(de)地物(wù)其回波次數和(hé)回波強度是不同的(de)，當激光(guāng)脈沖掃描到植被時(shí)，激光(guāng)束可(kě)以穿透植被形成多(duō)次回波，而當脈沖掃描到光(guāng)秃的(de)地面或平整裸露的(de)建築物(wù)頂面時(shí)則隻産生一次回波。

　　4.光(guāng)譜數據

　　機載LiDAR能夠快(kuài)速獲取地表目标的(de)三維坐(zuò)标信息，但受激光(guāng)特性的(de)限制，不能夠獲取反映目标特征的(de)光(guāng)譜信息，所以很多(duō)機載LiDAR都同時(shí)搭載了(le)多(duō)波段傳感器或CCD相機，用(yòng)來(lái)獲取地表的(de)影(yǐng)像數據。通(tōng)過影(yǐng)像融合技術，可(kě)以将機載激光(guāng)雷達系統的(de)點雲數據與地表的(de)影(yǐng)像數據進行融合獲取每個(gè)激光(guāng)腳點的(de)光(guāng)譜信息，應用(yòng)于點雲數據的(de)後處理(lǐ)。

　　2.1.2數據存儲格式

　　目前，國際上采用(yòng)的(de) Lidar 數據存儲格式采用(yòng)ASKII碼、栅格文件和(hé)自定義二進制格式等來(lái)存儲激光(guāng)雷達數據，但這(zhè)三種格式有其各自的(de)弱點,都不是目前标準的(de)Lidar 商業數據文件格式。2003年5月(yuè)，美(měi)國攝影(yǐng)測量與遙感（ASPRS）機構下(xià)的(de) Lidar 委員(yuán)會發布了(le)Lidar 數據交換格式标準LAS1.0版本。随後該組織又陸續推出了(le)更新版本。它是一種開放而嚴謹的(de)二進制式的(de)數據存取與數據轉換框架，用(yòng)于儲存通(tōng)過DGPS、IMU、激光(guāng)測距數據生成的(de)地表目标激光(guāng)腳點的(de)三維坐(zuò)标數據，實現了(le)數據格式的(de)擴展和(hé)兼容性，已經被全球主要生産商所認可(kě)和(hé)使用(yòng)。LAS1.0數據格式定義了(le)數據文件的(de)存儲方式、數據存儲結構以及可(kě)供擴展的(de)參數，數據文件由公共數據塊（PublicHeaderBloock)、可(kě)變長(cháng)數據記錄（Variable Length Records)以及點數據(Point Data)3個(gè)部分(fēn)構成。

　　在公共數據塊中，記錄了(le)文件标識、飛(fēi)行時(shí)間、回波次數、存儲點數據記錄所用(yòng)的(de)數據格式類型、坐(zuò)标方位等信息，詳細描述了(le)數據采集的(de)基本信息。這(zhè)些詳細的(de)數據采集信息爲數據的(de)後續分(fēn)析處理(lǐ)提供了(le)必要的(de)基礎信息。

　　2.2LIDAR數據特點

　　1.離散性

　　機載LiDAR數據在空間分(fēn)布形态表現爲一系列離散分(fēn)布的(de)三維數據點雲。這(zhè)種離散的(de)數據點雲空間分(fēn)布形态主要取決于地表形态以及數據采集方式。

　　2.多(duō)次回波

　　在城(chéng)市地區(qū)，最有價值的(de)通(tōng)常是首次回波和(hé)末次回波，首次回波一般來自最高(gāo)層次的(de)物(wù)體，如建築物(wù)頂、樹木(mù)頂層等；末次回波則通(tōng)常來(lái)自地面。

　　3.存在數據缺失和(hé)水(shuǐ)體吸收

　　機載LiDAR是通(tōng)過接收被目标反射回來(lái)的(de)激光(guāng)脈沖來(lái)獲取目标物(wù)的(de)信息，回波的(de)強度與目标的(de)材質有關。有的(de)物(wù)體對(duì)激光(guāng)的(de)吸收程度較大(dà)，因此在該區(qū)域可(kě)能出現缺失回波點的(de)情況。而在水(shuǐ)域，大(dà)部分(fēn)激光(guāng)束被水(shuǐ)體吸收，也(yě)會導緻回波信号的(de)缺失。

　　4.數據量龐大(dà)

　　激光(guāng)雷達數據有很高(gāo)的(de)采樣率，數據精度也(yě)高(gāo)，但這(zhè)些優點都是以海量數據爲代價的(de)。

　　機載LiDAR數據還(hái)有其他(tā)特點，如：分(fēn)布不均勻、不含光(guāng)譜信息、可(kě)以記錄地物(wù)反射強度信息等。

　　2.3Lidar 數據處理(lǐ)流程

　　機載 Lidar 數據處理(lǐ)是一個(gè)很複雜(zá)的(de)過程，概括地說，整個(gè) Lidar 數據處理(lǐ)可(kě)分(fēn)爲六個(gè)步驟：

　　1.通(tōng)過DGPS/IMU組合系統的(de)數據精确确定遙感平台的(de)飛(fēi)行航迹。

　　2.通(tōng)過對(duì)激光(guāng)測距數據、IMU姿态數據、DGPS數據以及掃描角數據進行相應的(de)處理(lǐ)，計算(suàn)出激光(guāng)腳點的(de)三維坐(zuò)标信息。一般都由機載LiDAR系統生産商提供的(de)軟件進行自動處理(lǐ)，得(de)到激光(guāng)點雲數據。

　　3.應用(yòng)一定的(de)數學算(suàn)法對(duì)點雲數據進行濾波、分(fēn)類、建築物(wù)邊緣提取以及建築物(wù)三維重建等數據後處理(lǐ)。

　　4.機載LiDAR系統在完成對(duì)整個(gè)區(qū)域地掃描過程中，采用(yòng)分(fēn)航帶的(de)方式進行飛(fēi)行，航帶間保證一定的(de)重疊度。在數據後處理(lǐ)過程中通(tōng)過航帶間的(de)重疊部分(fēn)将點雲數據進行拼接，組成一個(gè)完整的(de)目标區(qū)域。

　　5.将點雲數據坐(zuò)标系統轉換成用(yòng)戶需求的(de)坐(zuò)标系統。

　　6.将濾波、分(fēn)類獲得(de)的(de)地面點，通(tōng)過相應的(de)操作生成DEM、DSM和(hé)DOM等最終的(de)測繪産品。

　　3. LiDAR點雲數據濾波

　　3.1 LiDAR點雲數據濾波定義

　　機載 LiDAR數據濾波可(kě)這(zhè)樣定義：對(duì)原始點雲數據按照(zhào)非地面點和(hé)地面點兩種方式分(fēn)類，将非地面數據剔除生成隻包含裸地地形數據點的(de)過程稱爲濾波。圖1顯示了(le)濾波的(de)過程，上圖爲包含有地物(wù)（人(rén)工地物(wù)和(hé)自然植被）的(de)點集合，濾波後的(de)結果爲下(xià)圖形式，隻是地形點的(de)點集合。

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