機(jī)載LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作高精度DEM的方法

發(fā)布日期：2018-12-11 00:00 瀏覽量：19556

機(jī)載LiDAR技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比，機(jī)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(shù)字地面模型及地物的三維坐標(biāo)，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、角度等觀測(cè)數(shù)據(jù)直接獲取對(duì)象表面的三維點(diǎn)云信息，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、空間與時(shí)間分辨率高、動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍大、主動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市大比例尺測(cè)圖、林業(yè)調(diào)查、電力巡線等各個(gè)領(lǐng)域。因此，利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)快速完成數(shù)字高程模型(DEM)的大規(guī)模生產(chǎn)，已成為最近幾年測(cè)繪生產(chǎn)及其他領(lǐng)域的一個(gè)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。

本文結(jié)合機(jī)載LiDAR技術(shù)的工作原理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，著重分析利用機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取DEM的關(guān)鍵技術(shù)，即激光點(diǎn)云濾波與分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插、DEM構(gòu)建與評(píng)價(jià)，建立基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的DEM生產(chǎn)技術(shù)流程，并將其應(yīng)用于高精度地表模型制作項(xiàng)目中，構(gòu)建成規(guī)則格網(wǎng)1：2000比例尺的高精度DEM模型。

一、機(jī)載LiDAR技術(shù)工作原理

機(jī)載LiDAR技術(shù)是全三維測(cè)量模式，它以飛機(jī)為載體，集成激光掃描系統(tǒng)、GPS和慣性測(cè)量單元(inertialmeasurementunit，IMU) 3個(gè)基本的數(shù)據(jù)采集工具及控制單元系統(tǒng)等其他設(shè)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(tǒng)以脈沖激光測(cè)距作為主要技術(shù)手段，以激光束掃描的工作方式測(cè)量從傳感器到地物對(duì)象的激光照射點(diǎn)間的距離，即通過(guò)測(cè)量地面采樣點(diǎn)激光回波脈沖相對(duì)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(shù)等信息；GPS接收機(jī)用于確定激光發(fā)射點(diǎn)的空間位置；IMU測(cè)量激光發(fā)射瞬間激光的空間姿態(tài)參數(shù)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通過(guò)激光掃描系統(tǒng)獲得激光點(diǎn)的距離信息，結(jié)合由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)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(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下的三維坐標(biāo)，即一系列離散的、空間分布不規(guī)則的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具體流程如圖所示。

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程.jpg

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程圖

二、機(jī)載LiDAR關(guān)鍵技術(shù)研究

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(guò)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，所得結(jié)果為隨機(jī)分布的帶有高程、位置和強(qiáng)度信息的激光點(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. 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(如強(qiáng)度、反射波次數(shù)等)，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(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(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可概況為按照回波次數(shù)分類—地面點(diǎn)分類—水系分類。

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖.jpg

機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖

(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(guò)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) 地面點(diǎn)自動(dòng)分類。通過(guò)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，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(guò)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，從而得到一個(gè)近似的地表面。

(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(guò)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(guò)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(guò)建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型(TIN格網(wǎng))，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(wú)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。

3． DEM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)。利用 TerraSolid 軟件對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、濾波與分類、點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)插，最后得到DEM。