關(guān)于利用機載LiDAR點云數(shù)據(jù)完成數(shù)字高程模型更新的方法和應(yīng)用研究

郭漫玲 孫文婷 李小梅

摘要：DEM是“數(shù)字地球”中非常重要的信息源，涵蓋的信息非常豐富、直觀、逼真。本文對機載激光雷達、數(shù)字高程模型進行簡要的闡述，通過機載LiDAR點云數(shù)據(jù)進行DEM更新的制作方法進行全面性的介紹，并在應(yīng)用研究方面作簡要的探討。

關(guān)鍵詞：機載LiDAR;數(shù)字高程模型;DEM

數(shù)字高程模型（簡稱DEM）作為地球空間信息框架的基本內(nèi)容和其他各種信息的主要載體，是十分重要的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。DEM描述的是地面高程信息，在測繪、水文、地質(zhì)、通信、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)方式建立DEM存在精度低、成本高、工期長、自動化程度低的弊端。機載激光雷達（簡稱LiDAR）是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，是九十年代初首先由西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用的一門新興技術(shù)。它集成激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實時獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。它具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點。機載LiDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，機載激光雷達技術(shù)在DEM生產(chǎn)方面，已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著時代的發(fā)展，建立數(shù)字模型數(shù)據(jù)庫成為國土測繪、城市規(guī)劃的迫切需求。

一、技術(shù)路線及作業(yè)流程

具體作業(yè)流程如下：1.航飛執(zhí)行單位提交的機載LiDAR 點云數(shù)據(jù)按航帶存儲，數(shù)據(jù)檢查無誤后，先利用軟件進行航帶間消除冗余，再對點云數(shù)據(jù)按要求進行分塊，方便作業(yè)。2.軟件自動濾波，即將明顯低于地面的點或點群、明顯高于地表目標(biāo)的點或點群以及移動地物點等噪音點通過軟件進行自動濾除。3.提取地面點，主要是通過反復(fù)迭代建立地面三角網(wǎng)模型來分離出地面點。本文根據(jù)使用的軟件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)或算法進行濾波提取地面點。4.在經(jīng)過軟件自動濾波之后，還要進行人工輔助編輯修改來使點云分類更精確。在本文作業(yè)實踐中，打開DEM模型和同時期影像界面，采用人機交互的方式，對分類錯誤、漏分的點進行重分類;或以點云剖面為主要依據(jù)，建立地面模型來判斷激光點的分類是否準(zhǔn)確且貼合地形。5.對分類結(jié)果進行檢查。通過將點云分類顯示、高程顯示等方法，目視檢查分類后點云，對有疑問的地方進一步通過剖面檢查、分析。6.處理完成后，對相鄰分塊之間進行接邊處理，使得接邊處地面點云無異常，表面模型連續(xù)、光滑。7.利用精細(xì)分類后的地面點作為特征點進行DEM構(gòu)建。根據(jù)實際情況，選擇帶有高程信息的特征線、面狀水域范圍線等參與DEM生成，通過對關(guān)鍵點構(gòu)三角網(wǎng)，并進行內(nèi)插處理后，再實現(xiàn)格網(wǎng)對柵格數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，得到地面數(shù)字高程模型。由于DEM是按照分塊的規(guī)格進行處理并生成，因此必須進行接邊檢查。

人工編輯地物處理要求：

1.人工編輯以剖面為主進行點云精細(xì)分類。2.寬度或面積超限的流動水域及靜止水面需做水域點精細(xì)分類。3.架空物一般只保留地面或水面上的點云數(shù)據(jù)，懸空部分需分為非地面點。4.攔水壩等底部與地面相接的構(gòu)筑物，保留其壩體的點云數(shù)據(jù)。5.城市道路隧道出入口、地下停車場出入口等露天部分的點云數(shù)據(jù)分為非地面點。6.建筑（群）需進行地基平整處理。

二、軟件使用

雖然機載LiDAR有比較成熟的商業(yè)系統(tǒng)，但是激光雷達數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)現(xiàn)今還是相對不成熟的，現(xiàn)在主要使用的軟件除了各個硬件公司提供的軟件，主要使用的是芬蘭Terrasolid。

本文在數(shù)據(jù)生產(chǎn)試驗過程中使用的軟件主要有LiDAR_DP軟件、Terrasolid及LAS++軟件。

航飛執(zhí)行單位提交的機載LiDAR點云數(shù)據(jù)按航帶存儲，數(shù)據(jù)量龐大，航帶消冗、數(shù)據(jù)分塊、自動濾波等可批量進行的操作均可通過LiDAR_DP設(shè)置參數(shù)或Terrasolid編寫算法來實現(xiàn)。

LiDAR_DP還支持人工判別編輯分類、數(shù)據(jù)接邊等精細(xì)化操作。作業(yè)時可調(diào)用多個窗口，參考影像、模型、剖面輔助點云精細(xì)化分類，具有功能完整、操作界面清晰、作業(yè)成果準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。

Terrasolid功能強大但操作繁復(fù)，本文實踐中主要運用在批量數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征線制作及數(shù)據(jù)接邊等工作上。LAS++專業(yè)性強，操作簡單，但功能單一，只用于點云精細(xì)化分類。Terrasolid配合LAS++，兩個軟件相輔相成各司其職，作業(yè)效率高。

本文運用LiDAR_DP或Terrasolid配合LAS++兩種作業(yè)方式互相配合進行生產(chǎn)試驗，在保證成果質(zhì)量的前提下縮短數(shù)據(jù)處理時長，大大提高作業(yè)生產(chǎn)效率。

三、社會意義

數(shù)字高程模型（DEM）在表現(xiàn)地表高程方面非常直觀、明了，在有關(guān)城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、工程建設(shè)、土地資源管理等諸多方面都有著廣泛的應(yīng)用前景：

1.DEM可以對遙感數(shù)字圖，進行幾何校正和正射糾正。

2.DEM可自動派生描述地表起伏形態(tài)的各種地面特性，如坡度、坡向、坡度變化率、坡向變化率等地貌因子構(gòu)成數(shù)字地貌模型。

3.DEM也可用于土地管理，包括土地利用現(xiàn)狀評價、土地適宜性評價、土地利用潛力評價等。

4.DEM在防災(zāi)、減災(zāi)和區(qū)域綜合治理開發(fā)等資源環(huán)境保護領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]程綱，李志文，等.機載LiDAR技術(shù)快速生成高精度DEM[J].地理空間信息，2013，11（6）：44-46.

[2]于彩霞，董箭，等.基于LiDAR點云的高精度DEM構(gòu)建方法[J].地理空間信息，2015，13（3）：22-24.

[3]廣東省數(shù)字高程模型更新（一期）專業(yè)技術(shù)設(shè)計書，2018.

（作者單位：廣東省地圖院1? ? 廣東省國土資源測繪院2）