激光(guāng)雷達點雲數據的(de)技術流程和(hé)點雲預處理(lǐ)的(de)方法

發布日期：2019-01-03 00:00 浏覽量：21216

機載激光(guāng)雷達（LiDAR）是一種新型主動式航空傳感器，通(tōng)過集成定姿定位系統（POS）和(hé)激光(guāng)測距儀，能夠直接獲取高(gāo)精度點雲數據，激光(guāng)雷達測繪技術正廣泛應用(yòng)于各個(gè)領域，在高(gāo)精度三維地形數據（數字高(gāo)程模型(DEM)）的(de)快(kuài)速、準确提取方面，具有傳統手段不可(kě)替代的(de)獨特優勢。尤其對(duì)于一些測圖困難區(qū)的(de)高(gāo)精度DEM數據的(de)獲取，如植被覆蓋區(qū)、海岸帶、島礁地區(qū)、沙漠地區(qū)等，LiDAR的(de)技術優勢更爲明(míng)顯。本文主要介紹激光(guāng)雷達點雲數據的(de)技術流程以及點雲預處理(lǐ)的(de)方法。

一、激光(guāng)點雲數據處理(lǐ)的(de)技術流程

航攝獲取的(de)激光(guāng)雷達點雲數據需進行點雲預處理(lǐ)、點雲粗分(fēn)類、點雲人(rén)工分(fēn)類和(hé)采集約束線。激光(guāng)點雲數據處理(lǐ)技術流程如圖1所示。

激光(guāng)點雲數據處理(lǐ)技術流程.png

三、激光(guāng)雷達點雲處理(lǐ)

1、點雲預處理(lǐ)

通(tōng)過航攝完成的(de)激光(guāng)點雲數據是以航線爲單元提供的(de)，一方面數據量大(dà)，另一方面航線間存在重疊。爲便于後期作業，需要按作業單元進行相關的(de)鑲嵌和(hé)裁切工作，形成管理(lǐ)和(hé)作業的(de)數據處理(lǐ)單元。

1)鑲嵌線的(de)确定

在鑲嵌線繪制過程中，重點考慮以下(xià)要求:

(1)航線接邊差應滿足設計要求;

(2)鑲嵌線應盡量選擇在重疊處的(de)中央;

(3)因激光(guāng)掃描日期引起航線間地物(wù)存在明(míng)顯差異時(shí)，鑲嵌線應盡量沿溝渠、行樹、鄉村(cūn)路等帶狀覆蓋的(de)中心區(qū)域繪制，平原區(qū)域作物(wù)生長(cháng)差異明(míng)顯時(shí)尤其要避免在大(dà)面積平坦耕地中穿過。

2)噪聲濾除

采用(yòng)機載激光(guāng)雷達掃描法獲取的(de)點雲數據，在測量過程中不可(kě)避免地混有不合理(lǐ)的(de)噪聲點，噪聲點的(de)産生主要是由儀器的(de)系統誤差和(hé)被測對(duì)象的(de)物(wù)理(lǐ)特性引起的(de)。噪聲點分(fēn)爲高(gāo)于或低于地面的(de)、孤立的(de)、不成群的(de)噪聲點和(hé)與真實地表高(gāo)差較小的(de)、與地面點混合在一起的(de)噪聲點。

2、激光(guāng)點雲數據分(fēn)類

利用(yòng)點雲處理(lǐ)軟件提供的(de)點雲分(fēn)類工具，采用(yòng)人(rén)機交互的(de)方式，對(duì)機載激光(guāng)點雲數據進行半自動化(huà)分(fēn)類，爲後期的(de)人(rén)工分(fēn)類和(hé)編輯提供初分(fēn)類後的(de)階段點雲分(fēn)類成果。

非地面點雲的(de)主要反射體爲構築物(wù)和(hé)植被，其濾波過程較爲複雜(zá)，其濾波質量對(duì)處理(lǐ)人(rén)員(yuán)的(de)業務能力要求較高(gāo)，在進行人(rén)機交互點雲分(fēn)類處理(lǐ)時(shí)，應遵循以下(xià)原則:

1)以分(fēn)幅數據爲作業單元，根據地表覆蓋類型、點雲掃描日期的(de)差異等，适當劃分(fēn)交互處理(lǐ)單元，處理(lǐ)單元範圍線應予以保存;

2)理(lǐ)解分(fēn)類工具的(de)計算(suàn)原理(lǐ)，能夠熟練、靈活、綜合地利用(yòng)相關分(fēn)類工具;

3)測試調整相關參數設置，确保達到最優分(fēn)類效果，減少後期人(rén)工分(fēn)類工作量，由于設備、地形、季節、氣候等多(duō)方面原因，無法确定固定參數，隻能根據分(fēn)類後的(de)情況确定具體參數;

4)在利用(yòng)數字正射影(yǐng)像DOM輔助作業時(shí)，應分(fēn)析其航攝日期與點雲數據間的(de)差異性。

（一）自動分(fēn)類要求

人(rén)機交互點雲分(fēn)類所實現的(de)處理(lǐ)效果，在客觀上受地物(wù)覆蓋類型的(de)影(yǐng)響極大(dà)，應能夠滿足以下(xià)要求:

1)喬木(mù)林(lín)地與其覆蓋的(de)地面點應充分(fēn)識别并分(fēn)類，包括自然生長(cháng)的(de)林(lín)地、果園、散樹、行道樹等;

2)灌木(mù)林(lín)地與其覆蓋的(de)地面點應盡可(kě)能予以識别并分(fēn)類，根據高(gāo)山地、山地、丘陵地、平原4個(gè)地形類别對(duì)高(gāo)程精度的(de)不同要求，适當調整處理(lǐ)參數，尤其是平原、丘陵區(qū)域，高(gāo)程精度要求較高(gāo)，在處理(lǐ)過程中應有所側重;

大(dà)田作物(wù)根據其作物(wù)種類、生長(cháng)态勢、種植密度，最大(dà)程度地實現地面點的(de)分(fēn)離，因客觀條件限制而不能實現有效分(fēn)類的(de)，留待下(xià)道工序手工處理(lǐ)。

（二）人(rén)工分(fēn)類要求

①居民區(qū)

(1)将自動分(fēn)類錯歸爲地表類的(de)建築物(wù)表面點、地面上的(de)雜(zá)物(wù)點、牆角或牆面點、露天設備、假山石、煤堆上的(de)點(被吸收比較少)及草(cǎo)堆、柴堆、垃圾箱、垃圾等臨時(shí)性堆積物(wù)上的(de)點都分(fēn)到非地面點;

(2)房(fáng)屋下(xià)的(de)房(fáng)基形狀完整，在能滿足精度要求的(de)前提下(xià)，比較美(měi)觀地保留和(hé)取舍點，形狀不完整的(de)在确定地形的(de)形狀或位置時(shí)可(kě)降點保持地基完整保留，很小的(de)、單獨的(de)一個(gè)地基删掉，地基以上的(de)點全部分(fēn)到非地面點;

(3)房(fáng)區(qū)中所有道路點都要保留，連接地面與建築物(wù)的(de)階梯路，如大(dà)禮堂、劇院、單位門前的(de)台階均分(fēn)到非地面點;

(4)房(fáng)區(qū)裏的(de)圍牆、樹木(mù)、草(cǎo)堆、雜(zá)物(wù)、大(dà)型的(de)人(rén)爲堆出來(lái)的(de)臨時(shí)性土堆分(fēn)到非地面點。

②水(shuǐ)系及設施

(1)大(dà)面積水(shuǐ)草(cǎo)的(de)處理(lǐ)，具有一定高(gāo)度的(de)或漂浮在水(shuǐ)

面上的(de)比較密集的(de)水(shuǐ)草(cǎo)，能根據周圍地形判斷出具有一定高(gāo)差的(de)，放在水(shuǐ)域層;

(2)幹涸的(de)水(shuǐ)域點均分(fēn)到地面點層，幹溝、溢洪道、幹

涸的(de)地面支渠分(fēn)到地面點層;

(3)主要堤、攔水(shuǐ)壩、一般堤、防波堤分(fēn)到地面點;

(4)水(shuǐ)面上的(de)噪聲點、漂浮物(wù)以及植被等産生的(de)點雲均分(fēn)到水(shuǐ)域層。

③道路及設施

(1)高(gāo)速公路、各級公路的(de)隔離帶分(fēn)到非地面點;

(2)車行橋、立交橋、下(xià)跨道等與陸地相交處要拉斷面仔細分(fēn)出橋面、下(xià)跨道與地面的(de)相交部位，架空部分(fēn)的(de)點分(fēn)到架空路面類;

(3)過街(jiē)天橋、人(rén)行橋與地面相連的(de)部分(fēn)點雲數據分(fēn)到地面點類，架空部分(fēn)的(de)點分(fēn)到架空路面類;

(4)道路上的(de)汽車、行人(rén)等非地面點雲分(fēn)到噪聲層。

三、地面約束要素

激光(guāng)點雲數據表示地面模型，受飛(fēi)行時(shí)間、點雲間距、遮蔽、特殊反射等條件的(de)限制以及客觀世界複雜(zá)性的(de)影(yǐng)響，部分(fēn)地形特征需要使用(yòng)二、三維矢量數據作爲地形表面約束要素，對(duì)其進行補充約束，才能合理(lǐ)表示出地面模型。

地形地面約束要素，是以矢量數據的(de)形式來(lái)補充點雲數據的(de)漏洞或對(duì)地形變化(huà)處進行約束，地形表面約束要素包括點、線、面3類矢量形式，起到補充、替換、強制變化(huà)等作用(yòng)。

約束要素基本要求如下(xià):

（一）出現下(xià)列情況時(shí)，應通(tōng)過表面約束要素對(duì)激光(guāng)點雲局部缺陷區(qū)域進行補充約束。

(1)在激光(guāng)點雲受到激光(guāng)掃描角度的(de)影(yǐng)響，造成山體模型局部失真的(de)情況下(xià)，應利用(yòng)已有成果作爲補充彌補激光(guāng)點雲漏洞區(qū)域;

(2)公路、河(hé)渠、水(shuǐ)庫等處因植被遮蔽造成有效地面點雲明(míng)顯不足，與無植被遮蔽區(qū)域的(de)同類地面模型比較，視覺效果差異較大(dà)的(de)帶狀區(qū)域，應采集硬斷線或離散高(gāo)程注記點對(duì)局部地面模型進行細化(huà)處理(lǐ)。

（二）水(shuǐ)體約束要素優化(huà)處理(lǐ)湖泊、水(shuǐ)庫、坑塘及雙線水(shuǐ)等，應采集約束線進行水(shuǐ)域置平或平差。制作DEM時(shí)，按照(zhào)點雲采集約束線，高(gāo)程賦值應爲數據獲取時(shí)的(de)瞬時(shí)水(shuǐ)位高(gāo);制作等高(gāo)線時(shí)，如果DLG數據的(de)現勢性好，以DLG水(shuǐ)域線作爲特征面，如果點雲的(de)現勢性好，則按照(zhào)點雲采集。流動的(de)水(shuǐ)體要注意整個(gè)測區(qū)的(de)水(shuǐ)域平差，确保等高(gāo)線過水(shuǐ)正确，避免等高(gāo)線二次過水(shuǐ)現象出現。

地形表面約束要素，在作業過程中基于點雲、影(yǐng)像信息手工采集編輯後，存貯爲Shape數據文件進行提交。

四、點雲分(fēn)類檢查

（一）目視檢查原則

(1)不同的(de)地形類别高(gāo)程精度要求不同，對(duì)能夠滿足精度要求的(de)區(qū)域不必再進行過度的(de)細節處理(lǐ)，對(duì)不能滿足精度的(de)區(qū)域，則必須重點處理(lǐ);

(2)平原地區(qū)應對(duì)大(dà)田作物(wù)區(qū)、建築區(qū)、溝渠道路兩側區(qū)域等進行重點檢查;

(3)丘陵山地應重點檢查灌木(mù)林(lín)區(qū);

(4)平原丘陵過渡地帶，人(rén)類活動多(duō)，地形變換容易失真，進行重點檢查;

(5)對(duì)靜态、流動水(shuǐ)體進行重點檢查。

（二）檢查方法

(1)檢查數據是否完整;

(2)疊加彩色正射影(yǐng)像，判斷點雲覆蓋物(wù)類型;

(3)按點雲類别賦予相應顔色值目視進行檢查;

(4)按點雲類别和(hé)高(gāo)度賦予相應顔色值目視進行檢查;

(5)注意大(dà)面積沒有分(fēn)類爲地面的(de)地方。

結束語

本文結合某省中西部地區(qū)DEM的(de)生産，探討(tǎo)了(le)激光(guāng)點雲數據的(de)精度、工藝流程及激光(guāng)點雲數據的(de)處理(lǐ)原則，探討(tǎo)了(le)激光(guāng)點雲的(de)鑲嵌線繪制過程中需考慮的(de)問題，分(fēn)析了(le)激光(guāng)點雲的(de)自動分(fēn)類和(hé)人(rén)工分(fēn)類的(de)要求、約束要素的(de)要求。利用(yòng)激光(guāng)點雲制作數字高(gāo)程模型DEM，能夠大(dà)大(dà)提高(gāo)DEM的(de)精度，減少人(rén)工繪制等高(gāo)線的(de)工作量，将有很好的(de)利用(yòng)前景。