1、利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析摘要：機(jī)載LiDAR獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有快速、高效和高精度的特點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)制 作的DEM數(shù)據(jù)具有表達(dá)地貌細(xì)微和精度高的特性。對(duì)此，文章重點(diǎn)就利用機(jī)載 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，以供參考和借鑒。關(guān)鍵字：機(jī)載LiDAR；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；DEM；關(guān)鍵技術(shù)引言機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging， LiDAR)是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的 一種全新的測(cè)量技術(shù)，是由激光測(cè)距技術(shù)、GPS定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)集成的 一個(gè)軟硬件系統(tǒng)，主要是為了獲取地面及地物要素的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在測(cè) 繪領(lǐng)域中，機(jī)載激光雷達(dá)大部分指的是用

2、于地形測(cè)繪的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。經(jīng)過 幾十年軟硬件的發(fā)展，LiDAR技術(shù)不斷成熟，由于其具有快速、高效以及高精度 的特點(diǎn)，采用LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法，成為國(guó)內(nèi)外 獲取DEM的主要手段。1LiDAR數(shù)據(jù)獲取和處理某測(cè)區(qū)位于吉林省西北部，地形以低山和丘陵為主，測(cè)區(qū)地勢(shì)平緩，最高點(diǎn) 海拔650m，最低點(diǎn)海拔130 m左右，地貌屬于平原地區(qū)，測(cè)區(qū)面積約為 40000km2。1.1數(shù)據(jù)獲取LiDAR數(shù)據(jù)的獲取過程主要包括航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集及飛行評(píng)價(jià)等內(nèi)容，目 的是要獲得測(cè)區(qū)的ALS70HP點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果和ALS70HP航攝影像數(shù)據(jù)成果，在此流 程中需要注意以下幾個(gè)問題：1.1.

3、1氣象條件由于航攝作業(yè)區(qū)域跨度大，測(cè)區(qū)單條航線東西布設(shè)，航飛時(shí)間不超過30min， 跨度平均約為70km，存在氣象條件不一致的現(xiàn)象，而在云層厚度和面積達(dá)到一 定程度后，激光設(shè)備會(huì)啟動(dòng)保護(hù)措施停止工作，進(jìn)而影響正常的點(diǎn)云獲取，具體 的處理方法是按時(shí)觀察氣象條件和檢查預(yù)處理航攝數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)航帶出現(xiàn)的問 題，及時(shí)補(bǔ)充航攝，解決數(shù)據(jù)完整性問題。1.1.2航攝時(shí)間航攝計(jì)劃執(zhí)行過程中，攝區(qū)早上的天氣穩(wěn)定性較好，中午和下午空氣流的穩(wěn) 定性下降。在其他條件不變的情況下，無論是脈沖激光還是連續(xù)波激光，其最大 測(cè)距與反射率的平方根和激光功率的平方根成正比，因此要獲得較好的測(cè)距效果， 大氣條件十分重要。干冷和透明

4、的大氣條件下效果最好，污染較為嚴(yán)重的區(qū)域在 中午以后會(huì)出現(xiàn)激光反射率下降的現(xiàn)象，改進(jìn)的措施是在執(zhí)行城市區(qū)域航攝計(jì)劃 時(shí)，應(yīng)多考慮早晨和上午的時(shí)間段。1.1.3航線設(shè)計(jì)航線根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)，并滿足以下要求：第一，航線設(shè)計(jì)要充分考慮 測(cè)區(qū)的走勢(shì)，邊界區(qū)域要滿足激光旁向重疊率大于航帶寬度的30%；第二，結(jié)合 空域空閑時(shí)間和部隊(duì)飛行管制，考慮基站的架設(shè)位置，合理設(shè)計(jì)航線；第三，保 證每條航線直線飛行時(shí)間一般不大于30min的要求。1.2數(shù)據(jù)處理對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的處理分為預(yù)處理和后期的分類處理，預(yù)處理過程主要包括對(duì) LiDAR航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、差分、IPAS數(shù)據(jù)解算、激光檢校、相機(jī)檢校、點(diǎn)云數(shù) 據(jù)生

5、成、數(shù)據(jù)精度檢測(cè)等處理，以獲得滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理及產(chǎn)品制作要求的 數(shù)據(jù)，該過程的成果精度是后期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，要嚴(yán)格按照要求執(zhí)行。后期針 對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)的分類處理，由于過濾的自動(dòng)處理得到的點(diǎn)云分類不夠理想，會(huì)有 較多的人為干預(yù)，作業(yè)人員的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將直接影響數(shù)據(jù)的精度，其中 尤其要注意以下幾類需要人工處理：第一，復(fù)雜地物主要有超過檢測(cè)閾值的大地 物；高差太小，貼近地面的地物；形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地物；第二，與地面相連的 地物立交橋、高架橋、橋梁、架空輸水槽等架空于地面或水面之上的人工地物， 一般只保留地面或水面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將懸空的點(diǎn)分為非地面點(diǎn)，由于兩端與地 面一樣平，中部又有建筑的

6、特征，所以處理難度較大，另外一種就是陡坡上的建 筑物，或者是地基較高的房屋，和地面區(qū)分起來較困難；第三，植被覆蓋低矮的 植被較難被判讀，主要靠同期影像來指導(dǎo)生產(chǎn)；陡坡上的植被則不符合濾除假設(shè)， 需要人工判讀。2利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將航飛過程中獲得的差分GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù) 據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算獲得定位定姿數(shù)據(jù)，然后利用聯(lián)合定位定向數(shù)據(jù)、原始點(diǎn)云信息 及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)進(jìn)行解算，獲得每一個(gè)激光點(diǎn)的在WGS-84坐標(biāo)系下的 三維坐標(biāo)。根據(jù)項(xiàng)目成果需要，將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)由WGS-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地方 坐標(biāo)系或CGCS2000坐標(biāo)系，所

7、得結(jié)果為隨機(jī)分布的帶有高程、位置和強(qiáng)度信息 激光點(diǎn)云。此外，由于機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲得的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含了大量的粗差 和系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)進(jìn)行粗差檢測(cè)和剔除處理，即剔除極高點(diǎn)和極低點(diǎn)。 2.2激光點(diǎn)云濾波與分類機(jī)載LiDAR系統(tǒng)獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的孤立點(diǎn)，其主要的數(shù)據(jù)值為回 波信號(hào)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)及一些附帶的屬性信息，點(diǎn)與點(diǎn)之間不存在任何拓?fù)潢P(guān) 系。機(jī)載激光點(diǎn)云濾波技術(shù)是指從離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中區(qū)分出地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)的 過程，其基本原理是基于鄰近激光腳點(diǎn)間的高程突變，進(jìn)行濾波計(jì)算時(shí)需要設(shè)置 一定的閾值，判斷激光腳點(diǎn)是否位于地形表面。利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作DEM 時(shí)濾波與分類具體流程

8、可概況為按照回波次數(shù)分類一地面點(diǎn)分類一水系分類。2.2.1按照激光回波次數(shù)分類由于機(jī)載激光具有穿透性，導(dǎo)致在掃描過程中不同的地物有著不同的回波次 數(shù)和強(qiáng)度信息，當(dāng)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(hào)可以穿透植被從而形成多次回波，因此 可對(duì)多次回波中的最后一次回波數(shù)據(jù)和僅一次回波的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而濾 除大量非地面點(diǎn)。2.2.2地面點(diǎn)自動(dòng)分類通過反復(fù)建立地表三角網(wǎng)模型的方式分離出地表點(diǎn)，并反復(fù)加入新的激光點(diǎn) 擴(kuò)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。具體分類方法為：首先設(shè)定測(cè)區(qū)內(nèi)的最大房屋尺寸，

9、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(gòu)建初始三角網(wǎng)，假定該三角網(wǎng)的最高頂點(diǎn)貼合地面，并通過不斷迭代將該初 始三角網(wǎng)上方的點(diǎn)加入以構(gòu)建新模型，得到一個(gè)近似的地表面。2.2.3人機(jī)交互分類自動(dòng)分類后的數(shù)據(jù)可以獲得概略地形地貌，但存在一些錯(cuò)分或誤分激光點(diǎn)云 數(shù)據(jù)，同時(shí)一些小的地形不連續(xù)部分也會(huì)被平滑或去掉，因此需要通過人機(jī)交互 方式分類。人機(jī)交互分類方法是指參照高分辨率影像，通過人工判斷的方式對(duì)自 動(dòng)分類的結(jié)果進(jìn)行修正或?qū)μ囟ǖ匚镱悇e進(jìn)行分類，可通過建立不規(guī)則三角網(wǎng)模 型，對(duì)區(qū)域內(nèi)的整體點(diǎn)云進(jìn)行分類，剔除坑點(diǎn)或突出點(diǎn)，細(xì)部可再根據(jù)橫截面修 正。由于建筑物規(guī)模和形態(tài)變化較為復(fù)雜，需以人機(jī)交互分類為主。水系一般無 激光回波，但也存在渾濁水體稀疏回波現(xiàn)象，需要結(jié)合影像和周圍地形進(jìn)行判斷。2.3DEM構(gòu)建與評(píng)價(jià)DEM主要基于TIN格網(wǎng)構(gòu)建，即對(duì)于濾波分類的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件創(chuàng)建TIN，構(gòu)建約束三角網(wǎng)模型，并進(jìn)一步生成規(guī)則格網(wǎng)Grid格式的DEM數(shù) 據(jù)。結(jié)束語綜上所述，本文主要介紹了利用LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的技術(shù) 流程和方法，結(jié)果表明技術(shù)路線能夠滿足現(xiàn)階段城市大比例尺DEM生產(chǎn)的需要。 參考文獻(xiàn)：鄭云梅，吳潔，張勝雷,王強(qiáng),趙永鵬.基于多數(shù)據(jù)源的高精度城市地表高程提