機載LiDAR激光(guāng)點雲數據制作高(gāo)精度DEM的(de)方法

發布日期：2018-12-11 00:00 浏覽量：17026

機載LiDAR技術是20世紀80年代中期逐漸發展起來(lái)的(de)一項高(gāo)新技術，與傳統航空攝影(yǐng)測量技術相比，機載LiDAR技術不受日照(zhào)、天氣影(yǐng)響，可(kě)全天候主動快(kuài)速獲取精确的(de)高(gāo)分(fēn)辨率數字地面模型及地物(wù)的(de)三維坐(zuò)标，具備采集速度快(kuài)、高(gāo)程精度高(gāo)、成圖周期短等特點。

該技術通(tōng)過位置、距離、角度等觀測數據直接獲取對(duì)象表面的(de)三維點雲信息，具有數據獲取速度快(kuài)、空間與時(shí)間分(fēn)辨率高(gāo)、動态探測範圍大(dà)、主動性強等特點，廣泛應用(yòng)于城(chéng)市大(dà)比例尺測圖、林(lín)業調查、電力巡線等各個(gè)領域。因此，利用(yòng)機載LiDAR數據快(kuài)速完成數字高(gāo)程模型(DEM)的(de)大(dà)規模生産，已成爲最近幾年測繪生産及其他(tā)領域的(de)一個(gè)研究和(hé)應用(yòng)熱(rè)點。

本文結合機載LiDAR技術的(de)工作原理(lǐ)和(hé)點雲數據特點，著(zhe)重分(fēn)析利用(yòng)機載激光(guāng)點雲數據提取DEM的(de)關鍵技術，即激光(guāng)點雲濾波與分(fēn)類、點雲數據内插、DEM構建與評價，建立基于機載LiDAR數據的(de)DEM生産技術流程，并将其應用(yòng)于高(gāo)精度地表模型制作項目中，構建成規則格網1：2000比例尺的(de)高(gāo)精度DEM模型。

一、機載LiDAR技術工作原理(lǐ)

機載LiDAR技術是全三維測量模式，它以飛(fēi)機爲載體，集成激光(guāng)掃描系統、GPS和(hé)慣性測量單元(inertialmeasurementunit，IMU) 3個(gè)基本的(de)數據采集工具及控制單元系統等其他(tā)設備于一體，從而獲取地面的(de)三維空間信息。其中，激光(guāng)掃描系統以脈沖激光(guāng)測距作爲主要技術手段，以激光(guāng)束掃描的(de)工作方式測量從傳感器到地物(wù)對(duì)象的(de)激光(guāng)照(zhào)射點間的(de)距離，即通(tōng)過測量地面采樣點激光(guāng)回波脈沖相對(duì)于發射激光(guāng)主波之間的(de)時(shí)間延遲得(de)到傳感器到地面采樣點之間的(de)距離，同時(shí)還(hái)可(kě)以獲得(de)反射率、激光(guāng)脈沖回波次數等信息；GPS接收機用(yòng)于确定激光(guāng)發射點的(de)空間位置；IMU測量激光(guāng)發射瞬間激光(guāng)的(de)空間姿态參數。機載LiDAR系統通(tōng)過激光(guāng)掃描系統獲得(de)激光(guāng)點的(de)距離信息，結合由慣性導航系統輸出的(de)激光(guāng)發射點空間位置和(hé)姿态信息，可(kě)以解算(suàn)出激光(guāng)腳點在當地水(shuǐ)平坐(zuò)标系下(xià)的(de)三維坐(zuò)标，即一系列離散的(de)、空間分(fēn)布不規則的(de)三維點雲數據，具體流程如圖所示。

機載激光(guāng)點雲數據處理(lǐ)技術流程.jpg

機載激光(guāng)點雲數據處理(lǐ)技術流程圖

二、機載LiDAR關鍵技術研究

1．數據預處理(lǐ)

機載激光(guāng)點雲數據預處理(lǐ)主要是将航飛(fēi)過程中獲得(de)的(de)差分(fēn)GPS數據和(hé)IMU數據進行聯合解算(suàn)獲得(de)定位定姿數據，然後利用(yòng)聯合定位定向數據、原始點雲信息及系統所提供的(de)各類參數進行解算(suàn)，獲得(de)每一個(gè)激光(guāng)點的(de)在WGS-84坐(zuò)标系下(xià)的(de)三維坐(zuò)标。根據項目成果需要，将LiDAR點雲數據由WGS-84坐(zuò)标系轉換到地方坐(zuò)标系或CGCS2000坐(zuò)标系，所得(de)結果爲随機分(fēn)布的(de)帶有高(gāo)程、位置和(hé)強度信息的(de)激光(guāng)點雲。此外，由于機載LiDAR系統獲得(de)的(de)海量點雲數據中包含了(le)大(dà)量的(de)粗差和(hé)系統誤差，數據預處理(lǐ)中應進行粗差檢測和(hé)剔除處理(lǐ)，即剔除極高(gāo)點和(hé)極低點。

2. 激光(guāng)點雲濾波與分(fēn)類

機載LiDAR系統獲取的(de)原始點雲數據是離散的(de)孤立點，其主要的(de)數據值爲回波信号點的(de)三維空間坐(zuò)标及一些附帶的(de)屬性信息(如強度、反射波次數等)，點與點之間不存在任何拓撲關系。機載激光(guāng)點雲濾波技術是指從離散的(de)點雲數據中區(qū)分(fēn)出地面點和(hé)非地面點的(de)過程，其基本原理(lǐ)是基于鄰近激光(guāng)腳點間的(de)高(gāo)程突變(一般不是由地形的(de)突然起伏變化(huà)所造成的(de))，進行濾波計算(suàn)時(shí)需要設置一定的(de)阈值，判斷激光(guāng)腳點是否位于地形表面。利用(yòng)機載激光(guāng)點雲數據制作DEM時(shí)濾波與分(fēn)類具體流程可(kě)概況爲按照(zhào)回波次數分(fēn)類—地面點分(fēn)類—水(shuǐ)系分(fēn)類。

機載激光(guāng)點雲數據圖.jpg

機載激光(guāng)點雲數據圖

(1) 按照(zhào)激光(guāng)回波次數分(fēn)類。由于機載激光(guāng)具有穿透性，導緻在掃描過程中不同的(de)地物(wù)有著(zhe)不同的(de)回波次數和(hé)強度信息，當激光(guāng)脈沖照(zhào)射到建築物(wù)頂部或裸露的(de)地表時(shí)隻産生一次回波，而激光(guāng)脈沖照(zhào)射到植被時(shí)，由于激光(guāng)信号可(kě)以穿透植被從而形成多(duō)次回波。因此，可(kě)對(duì)多(duō)次回波中的(de)最後一次回波數據和(hé)僅一次回波的(de)激光(guāng)數據進行提取，從而濾除大(dà)量非地面點。

(2) 地面點自動分(fēn)類。通(tōng)過反複建立地表三角網模型的(de)方式分(fēn)離出地表點，并反複加入新的(de)激光(guāng)點擴展模型，确保每個(gè)加入的(de)激光(guāng)點使得(de)模型更加貼近地表，從而最終得(de)到一個(gè)近似的(de)地表面。具體分(fēn)類方法爲:首先設定測區(qū)内的(de)最大(dà)房(fáng)屋尺寸，選擇少許局部激光(guāng)低點，确保該局部激光(guāng)低點間的(de)距離不小于最大(dà)房(fáng)屋尺寸；其次基于上述低點構建初始三角網，假定該三角網的(de)最高(gāo)頂點貼合地面，并通(tōng)過不斷叠代将該初始三角網上方的(de)點加入以構建新模型，從而得(de)到一個(gè)近似的(de)地表面。

(3) 人(rén)機交互分(fēn)類。自動分(fēn)類後的(de)數據可(kě)以獲得(de)概略地形地貌，但存在一些錯分(fēn)或誤分(fēn)激光(guāng)點雲數據，同時(shí)一些小的(de)地形不連續部分(fēn)也(yě)會被平滑或去掉，因此需要通(tōng)過人(rén)機交互方式分(fēn)類。人(rén)機交互分(fēn)類方法是指參照(zhào)高(gāo)分(fēn)辨率影(yǐng)像，通(tōng)過人(rén)工判斷的(de)方式對(duì)自動分(fēn)類的(de)結果進行修正或對(duì)特定地物(wù)類别進行分(fēn)類。可(kě)通(tōng)過建立不規則三角網模型(TIN格網)，對(duì)區(qū)域内的(de)整體點雲進行分(fēn)類，剔除坑點或突出點，細部可(kě)再根據橫截面修正。由于建築物(wù)規模和(hé)形态變化(huà)較爲複雜(zá)，需以人(rén)機交互分(fēn)類爲主。水(shuǐ)系一般無激光(guāng)回波，但也(yě)存在渾濁水(shuǐ)體稀疏回波現象，需要結合影(yǐng)像和(hé)周圍地形進行判斷。

3． DEM構建與評價

DEM主要基于TIN格網構建，即對(duì)于濾波分(fēn)類的(de)地面點雲數據，利用(yòng)ArcGIS軟件創建TIN，構建約束三角網模型，并進一步生成規則格網Grid格式的(de)DEM數據。利用(yòng) TerraSolid 軟件對(duì)激光(guāng)點雲數據進行預處理(lǐ)、濾波與分(fēn)類、點雲數據内插，最後得(de)到DEM。