激光雷達點(diǎn)云數據的技術(shù)流程和點(diǎn)云預處理的方法

機載激光雷達（LiDAR）是一種新型主動(dòng)式航空傳感器，通過(guò)集成定姿定位系統（POS）和激光測距儀，能夠直接獲取高精度點(diǎn)云數據，激光雷達測繪技術(shù)正廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域，在高精度三維地形數據（數字高程模型(DEM)）的快速、準確提取方面，具有傳統手段不可替代的獨特優(yōu)勢。尤其對于一些測圖困難區的高精度DEM數據的獲取，如植被覆蓋區、海岸帶、島礁地區、沙漠地區等，LiDAR的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。本文主要介紹激光雷達點(diǎn)云數據的技術(shù)流程以及點(diǎn)云預處理的方法。

一、激光點(diǎn)云數據處理的技術(shù)流程

航攝獲取的激光雷達點(diǎn)云數據需進(jìn)行點(diǎn)云預處理、點(diǎn)云粗分類(lèi)、點(diǎn)云人工分類(lèi)和采集約束線(xiàn)。激光點(diǎn)云數據處理技術(shù)流程如圖1所示。

三、激光雷達點(diǎn)云處理

1、點(diǎn)云預處理

通過(guò)航攝完成的激光點(diǎn)云數據是以航線(xiàn)為單元提供的，一方面數據量大，另一方面航線(xiàn)間存在重疊。為便于后期作業(yè)，需要按作業(yè)單元進(jìn)行相關(guān)的鑲嵌和裁切工作，形成管理和作業(yè)的數據處理單元。

1)鑲嵌線(xiàn)的確定

在鑲嵌線(xiàn)繪制過(guò)程中，重點(diǎn)考慮以下要求:

(1)航線(xiàn)接邊差應滿(mǎn)足設計要求;

(2)鑲嵌線(xiàn)應盡量選擇在重疊處的中央;

(3)因激光掃描日期引起航線(xiàn)間地物存在明顯差異時(shí)，鑲嵌線(xiàn)應盡量沿溝渠、行樹(shù)、鄉村路等帶狀覆蓋的中心區域繪制，平原區域作物生長(cháng)差異明顯時(shí)尤其要避免在大面積平坦耕地中穿過(guò)。

2)噪聲濾除

采用機載激光雷達掃描法獲取的點(diǎn)云數據，在測量過(guò)程中不可避免地混有不合理的噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)的產(chǎn)生主要是由儀器的系統誤差和被測對象的物理特性引起的。噪聲點(diǎn)分為高于或低于地面的、孤立的、不成群的噪聲點(diǎn)和與真實(shí)地表高差較小的、與地面點(diǎn)混合在一起的噪聲點(diǎn)。

2、激光點(diǎn)云數據分類(lèi)

利用點(diǎn)云處理軟件提供的點(diǎn)云分類(lèi)工具，采用人機交互的方式，對機載激光點(diǎn)云數據進(jìn)行半自動(dòng)化分類(lèi)，為后期的人工分類(lèi)和編輯提供初分類(lèi)后的階段點(diǎn)云分類(lèi)成果。

非地面點(diǎn)云的主要反射體為構筑物和植被，其濾波過(guò)程較為復雜，其濾波質(zhì)量對處理人員的業(yè)務(wù)能力要求較高，在進(jìn)行人機交互點(diǎn)云分類(lèi)處理時(shí)，應遵循以下原則:

1)以分幅數據為作業(yè)單元，根據地表覆蓋類(lèi)型、點(diǎn)云掃描日期的差異等，適當劃分交互處理單元，處理單元范圍線(xiàn)應予以保存;

2)理解分類(lèi)工具的計算原理，能夠熟練、靈活、綜合地利用相關(guān)分類(lèi)工具;

3)測試調整相關(guān)參數設置，確保達到最優(yōu)分類(lèi)效果，減少后期人工分類(lèi)工作量，由于設備、地形、季節、氣候等多方面原因，無(wú)法確定固定參數，只能根據分類(lèi)后的情況確定具體參數;

4)在利用數字正射影像DOM輔助作業(yè)時(shí)，應分析其航攝日期與點(diǎn)云數據間的差異性。

（一）自動(dòng)分類(lèi)要求

人機交互點(diǎn)云分類(lèi)所實(shí)現的處理效果，在客觀(guān)上受地物覆蓋類(lèi)型的影響極大，應能夠滿(mǎn)足以下要求:

1)喬木林地與其覆蓋的地面點(diǎn)應充分識別并分類(lèi)，包括自然生長(cháng)的林地、果園、散樹(shù)、行道樹(shù)等;

2)灌木林地與其覆蓋的地面點(diǎn)應盡可能予以識別并分類(lèi)，根據高山地、山地、丘陵地、平原4個(gè)地形類(lèi)別對高程精度的不同要求，適當調整處理參數，尤其是平原、丘陵區域，高程精度要求較高，在處理過(guò)程中應有所側重;

大田作物根據其作物種類(lèi)、生長(cháng)態(tài)勢、種植密度，最大程度地實(shí)現地面點(diǎn)的分離，因客觀(guān)條件限制而不能實(shí)現有效分類(lèi)的，留待下道工序手工處理。

（二）人工分類(lèi)要求

①居民區

(1)將自動(dòng)分類(lèi)錯歸為地表類(lèi)的建筑物表面點(diǎn)、地面上的雜物點(diǎn)、墻角或墻面點(diǎn)、露天設備、假山石、煤堆上的點(diǎn)(被吸收比較少)及草堆、柴堆、垃圾箱、垃圾等臨時(shí)性堆積物上的點(diǎn)都分到非地面點(diǎn);

(2)房屋下的房基形狀完整，在能滿(mǎn)足精度要求的前提下，比較美觀(guān)地保留和取舍點(diǎn)，形狀不完整的在確定地形的形狀或位置時(shí)可降點(diǎn)保持地基完整保留，很小的、單獨的一個(gè)地基刪掉，地基以上的點(diǎn)全部分到非地面點(diǎn);

(3)房區中所有道路點(diǎn)都要保留，連接地面與建筑物的階梯路，如大禮堂、劇院、單位門(mén)前的臺階均分到非地面點(diǎn);

(4)房區里的圍墻、樹(shù)木、草堆、雜物、大型的人為堆出來(lái)的臨時(shí)性土堆分到非地面點(diǎn)。

②水系及設施

(1)大面積水草的處理，具有一定高度的或漂浮在水

面上的比較密集的水草，能根據周?chē)匦闻袛喑鼍哂幸欢ǜ卟畹?，放在水域?/span>;

(2)干涸的水域點(diǎn)均分到地面點(diǎn)層，干溝、溢洪道、干

涸的地面支渠分到地面點(diǎn)層;

(3)主要堤、攔水壩、一般堤、防波堤分到地面點(diǎn);

(4)水面上的噪聲點(diǎn)、漂浮物以及植被等產(chǎn)生的點(diǎn)云均分到水域層。

③道路及設施

(1)高速公路、各級公路的隔離帶分到非地面點(diǎn);

(2)車(chē)行橋、立交橋、下跨道等與陸地相交處要拉斷面仔細分出橋面、下跨道與地面的相交部位，架空部分的點(diǎn)分到架空路面類(lèi);

(3)過(guò)街天橋、人行橋與地面相連的部分點(diǎn)云數據分到地面點(diǎn)類(lèi)，架空部分的點(diǎn)分到架空路面類(lèi);

(4)道路上的汽車(chē)、行人等非地面點(diǎn)云分到噪聲層。

三、地面約束要素

激光點(diǎn)云數據表示地面模型，受飛行時(shí)間、點(diǎn)云間距、遮蔽、特殊反射等條件的限制以及客觀(guān)世界復雜性的影響，部分地形特征需要使用二、三維矢量數據作為地形表面約束要素，對其進(jìn)行補充約束，才能合理表示出地面模型。

地形地面約束要素，是以矢量數據的形式來(lái)補充點(diǎn)云數據的漏洞或對地形變化處進(jìn)行約束，地形表面約束要素包括點(diǎn)、線(xiàn)、面3類(lèi)矢量形式，起到補充、替換、強制變化等作用。

約束要素基本要求如下:

（一）出現下列情況時(shí)，應通過(guò)表面約束要素對激光點(diǎn)云局部缺陷區域進(jìn)行補充約束。

(1)在激光點(diǎn)云受到激光掃描角度的影響，造成山體模型局部失真的情況下，應利用已有成果作為補充彌補激光點(diǎn)云漏洞區域;

(2)公路、河渠、水庫等處因植被遮蔽造成有效地面點(diǎn)云明顯不足，與無(wú)植被遮蔽區域的同類(lèi)地面模型比較，視覺(jué)效果差異較大的帶狀區域，應采集硬斷線(xiàn)或離散高程注記點(diǎn)對局部地面模型進(jìn)行細化處理。

（二）水體約束要素優(yōu)化處理湖泊、水庫、坑塘及雙線(xiàn)水等，應采集約束線(xiàn)進(jìn)行水域置平或平差。制作DEM時(shí)，按照點(diǎn)云采集約束線(xiàn)，高程賦值應為數據獲取時(shí)的瞬時(shí)水位高;制作等高線(xiàn)時(shí)，如果DLG數據的現勢性好，以DLG水域線(xiàn)作為特征面，如果點(diǎn)云的現勢性好，則按照點(diǎn)云采集。流動(dòng)的水體要注意整個(gè)測區的水域平差，確保等高線(xiàn)過(guò)水正確，避免等高線(xiàn)二次過(guò)水現象出現。

地形表面約束要素，在作業(yè)過(guò)程中基于點(diǎn)云、影像信息手工采集編輯后，存貯為Shape數據文件進(jìn)行提交。

四、點(diǎn)云分類(lèi)檢查

（一）目視檢查原則

(1)不同的地形類(lèi)別高程精度要求不同，對能夠滿(mǎn)足精度要求的區域不必再進(jìn)行過(guò)度的細節處理，對不能滿(mǎn)足精度的區域，則必須重點(diǎn)處理;

(2)平原地區應對大田作物區、建筑區、溝渠道路兩側區域等進(jìn)行重點(diǎn)檢查;

(3)丘陵山地應重點(diǎn)檢查灌木林區;

(4)平原丘陵過(guò)渡地帶，人類(lèi)活動(dòng)多，地形變換容易失真，進(jìn)行重點(diǎn)檢查;

(5)對靜態(tài)、流動(dòng)水體進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

（二）檢查方法

(1)檢查數據是否完整;

(2)疊加彩色正射影像，判斷點(diǎn)云覆蓋物類(lèi)型;

(3)按點(diǎn)云類(lèi)別賦予相應顏色值目視進(jìn)行檢查;

(4)按點(diǎn)云類(lèi)別和高度賦予相應顏色值目視進(jìn)行檢查;

(5)注意大面積沒(méi)有分類(lèi)為地面的地方。

結束語(yǔ)

本文結合某省中西部地區DEM的生產(chǎn)，探討了激光點(diǎn)云數據的精度、工藝流程及激光點(diǎn)云數據的處理原則，探討了激光點(diǎn)云的鑲嵌線(xiàn)繪制過(guò)程中需考慮的問(wèn)題，分析了激光點(diǎn)云的自動(dòng)分類(lèi)和人工分類(lèi)的要求、約束要素的要求。利用激光點(diǎn)云制作數字高程模型DEM，能夠大大提高DEM的精度，減少人工繪制等高線(xiàn)的工作量，將有很好的利用前景。

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