機載LiDAR激光點(diǎn)云數據制作高精度DEM的方法

機載LiDAR技術(shù)是20世紀80年代中期逐漸發(fā)展起來(lái)的一項高新技術(shù)，與傳統航空攝影測量技術(shù)相比，機載LiDAR技術(shù)不受日照、天氣影響，可全天候主動(dòng)快速獲取精確的高分辨率數字地面模型及地物的三維坐標，具備采集速度快、高程精度高、成圖周期短等特點(diǎn)。

該技術(shù)通過(guò)位置、距離、角度等觀(guān)測數據直接獲取對象表面的三維點(diǎn)云信息，具有數據獲取速度快、空間與時(shí)間分辨率高、動(dòng)態(tài)探測范圍大、主動(dòng)性強等特點(diǎn)，廣泛應用于城市大比例尺測圖、林業(yè)調查、電力巡線(xiàn)等各個(gè)領(lǐng)域。因此，利用機載LiDAR數據快速完成數字高程模型(DEM)的大規模生產(chǎn)，已成為最近幾年測繪生產(chǎn)及其他領(lǐng)域的一個(gè)研究和應用熱點(diǎn)。

本文結合機載LiDAR技術(shù)的工作原理和點(diǎn)云數據特點(diǎn)，著(zhù)重分析利用機載激光點(diǎn)云數據提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)，即激光點(diǎn)云濾波與分類(lèi)、點(diǎn)云數據內插、DEM構建與評價(jià)，建立基于機載LiDAR數據的DEM生產(chǎn)技術(shù)流程，并將其應用于高精度地表模型制作項目中，構建成規則格網(wǎng)1：2000比例尺的高精度DEM模型。

一、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、GPS和慣性測量單元(inertialmeasurementunit，IMU) 3個(gè)基本的數據采集工具及控制單元系統等其他設備于一體，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(diǎn)間的距離，即通過(guò)測量地面采樣點(diǎn)激光回波脈沖相對于發(fā)射激光主波之間的時(shí)間延遲得到傳感器到地面采樣點(diǎn)之間的距離，同時(shí)還可以獲得反射率、激光脈沖回波次數等信息；GPS接收機用于確定激光發(fā)射點(diǎn)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。機載LiDAR系統通過(guò)激光掃描系統獲得激光點(diǎn)的距離信息，結合由慣性導航系統輸出的激光發(fā)射點(diǎn)空間位置和姿態(tài)信息，可以解算出激光腳點(diǎn)在當地水平坐標系下的三維坐標，即一系列離散的、空間分布不規則的三維點(diǎn)云數據，具體流程如圖所示。

機載激光點(diǎn)云數據處理技術(shù)流程圖

二、機載LiDAR關(guān)鍵技術(shù)研究

1． 數據預處理

機載激光點(diǎn)云數據預處理主要是將航飛過(guò)程中獲得的差分GPS數據和IMU數據進(jìn)行聯(lián)合解算獲得定位定姿數據，然后利用聯(lián)合定位定向數據、原始點(diǎn)云信息及系統所提供的各類(lèi)參數進(jìn)行解算，獲得每一個(gè)激光點(diǎn)的在WGS-84坐標系下的三維坐標。根據項目成果需要，將LiDAR點(diǎn)云數據由WGS-84坐標系轉換到地方坐標系或CGCS2000坐標系，所得結果為隨機分布的帶有高程、位置和強度信息的激光點(diǎn)云。此外，由于機載LiDAR系統獲得的海量點(diǎn)云數據中包含了大量的粗差和系統誤差，數據預處理中應進(jìn)行粗差檢測和剔除處理，即剔除極高點(diǎn)和極低點(diǎn)。

2.   激光點(diǎn)云濾波與分類(lèi)

機載LiDAR系統獲取的原始點(diǎn)云數據是離散的孤立點(diǎn)，其主要的數據值為回波信號點(diǎn)的三維空間坐標及一些附帶的屬性信息(如強度、反射波次數等)，點(diǎn)與點(diǎn)之間不存在任何拓撲關(guān)系。機載激光點(diǎn)云濾波技術(shù)是指從離散的點(diǎn)云數據中區分出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的過(guò)程，其基本原理是基于鄰近激光腳點(diǎn)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(jìn)行濾波計算時(shí)需要設置一定的閾值，判斷激光腳點(diǎn)是否位于地形表面。利用機載激光點(diǎn)云數據制作DEM時(shí)濾波與分類(lèi)具體流程可概況為按照回波次數分類(lèi)—地面點(diǎn)分類(lèi)—水系分類(lèi)。

機載激光點(diǎn)云數據圖

(1)  按照激光回波次數分類(lèi)。由于機載激光具有穿透性，導致在掃描過(guò)程中不同的地物有著(zhù)不同的回波次數和強度信息，當激光脈沖照射到建筑物頂部或裸露的地表時(shí)只產(chǎn)生一次回波，而激光脈沖照射到植被時(shí)，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據和僅一次回波的激光數據進(jìn)行提取，從而濾除大量非地面點(diǎn)。

(2)  地面點(diǎn)自動(dòng)分類(lèi)。通過(guò)反復建立地表三角網(wǎng)模型的方式分離出地表點(diǎn)，并反復加入新的激光點(diǎn)擴展模型，確保每個(gè)加入的激光點(diǎn)使得模型更加貼近地表，從而最終得到一個(gè)近似的地表面。具體分類(lèi)方法為:首先設定測區內的最大房屋尺寸，選擇少許局部激光低點(diǎn)，確保該局部激光低點(diǎn)間的距離不小于最大房屋尺寸；其次基于上述低點(diǎn)構建初始三角網(wǎng)，假定該三角網(wǎng)的最高頂點(diǎn)貼合地面，并通過(guò)不斷迭代將該初始三角網(wǎng)上方的點(diǎn)加入以構建新模型，從而得到一個(gè)近似的地表面。

(3)  人機交互分類(lèi)。自動(dòng)分類(lèi)后的數據可以獲得概略地形地貌，但存在一些錯分或誤分激光點(diǎn)云數據，同時(shí)一些小的地形不連續部分也會(huì )被平滑或去掉，因此需要通過(guò)人機交互方式分類(lèi)。人機交互分類(lèi)方法是指參照高分辨率影像，通過(guò)人工判斷的方式對自動(dòng)分類(lèi)的結果進(jìn)行修正或對特定地物類(lèi)別進(jìn)行分類(lèi)?？赏ㄟ^(guò)建立不規則三角網(wǎng)模型(TIN格網(wǎng))，對區域內的整體點(diǎn)云進(jìn)行分類(lèi)，剔除坑點(diǎn)或突出點(diǎn)，細部可再根據橫截面修正。由于建筑物規模和形態(tài)變化較為復雜，需以人機交互分類(lèi)為主。水系一般無(wú)激光回波，但也存在渾濁水體稀疏回波現象，需要結合影像和周?chē)匦芜M(jìn)行判斷。

3． DEM構建與評價(jià)

DEM主要基于TIN格網(wǎng)構建，即對于濾波分類(lèi)的地面點(diǎn)云數據，利用ArcGIS軟件創(chuàng )建TIN，構建約束三角網(wǎng)模型，并進(jìn)一步生成規則格網(wǎng)Grid格式的DEM數據。利用 TerraSolid 軟件對激光點(diǎn)云數據進(jìn)行預處理、濾波與分類(lèi)、點(diǎn)云數據內插，最后得到DEM。

綜上所述，主要介紹了利用LiDAR激光點(diǎn)云數據制作高精度DEM的技術(shù)流程和方法。

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