關于利用機載LiDAR點云數據完成數字高程模型更新的方法和應用研究

郭漫玲 孫文婷 李小梅

摘要：DEM是“數字地球”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、數字高程模型進行簡要的闡述，通過機載LiDAR點云數據進行DEM更新的制作方法進行全面性的介紹，并在應用研究方面作簡要的探討。

關鍵詞：機載LiDAR;數字高程模型;DEM

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

傳統方式建立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，是九十年代初首先由西方國家發展起來并投入商業化應用的一門新興技術。它集成激光測距技術、計算機技術、慣性測量單元、全球導航衛星系統技術于一體，該技術在三維空間信息的實時獲取方面產生了重大突破，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手段。它具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等特點。機載LiDAR傳感器發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據。具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無法取代的優越性。隨著相關技術的不斷成熟，機載激光雷達技術在DEM生產方面，已經得到了非常廣泛的應用。隨著時代的發展，建立數字模型數據庫成為國土測繪、城市規劃的迫切需求。

一、技術路線及作業流程

具體作業流程如下：1.航飛執行單位提交的機載LiDAR 點云數據按航帶存儲，數據檢查無誤后，先利用軟件進行航帶間消除冗余，再對點云數據按要求進行分塊，方便作業。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，主要是通過反復迭代建立地面三角網模型來分離出地面點。本文根據使用的軟件設置相應的參數或算法進行濾波提取地面點。4.在經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，建立地面模型來判斷激光點的分類是否準確且貼合地形。5.對分類結果進行檢查。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、光滑。7.利用精細分類后的地面點作為特征點進行DEM構建。根據實際情況，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，通過對關鍵點構三角網，并進行內插處理后，再實現格網對柵格數據的轉變，得到地面數字高程模型。由于DEM是按照分塊的規格進行處理并生成，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分類。3.架空物一般只保留地面或水面上的點云數據，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筑物，保留其壩體的點云數據。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據分為非地面點。6.建筑（群）需進行地基平整處理。

二、軟件使用

雖然機載LiDAR有比較成熟的商業系統，但是激光雷達數據的處理系統現今還是相對不成熟的，現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。

本文在數據生產試驗過程中使用的軟件主要有LiDAR_DP軟件、Terrasolid及LAS++軟件。

航飛執行單位提交的機載LiDAR點云數據按航帶存儲，數據量龐大，航帶消冗、數據分塊、自動濾波等可批量進行的操作均可通過LiDAR_DP設置參數或Terrasolid編寫算法來實現。

LiDAR_DP還支持人工判別編輯分類、數據接邊等精細化操作。作業時可調用多個窗口，參考影像、模型、剖面輔助點云精細化分類，具有功能完整、操作界面清晰、作業成果準確性高等優點。

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

本文運用LiDAR_DP或Terrasolid配合LAS++兩種作業方式互相配合進行生產試驗，在保證成果質量的前提下縮短數據處理時長，大大提高作業生產效率。

三、社會意義

數字高程模型（DEM）在表現地表高程方面非常直觀、明了，在有關城市規劃、環境監測、防災減災、工程建設、土地資源管理等諸多方面都有著廣泛的應用前景：

1.DEM可以對遙感數字圖，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成數字地貌模型。

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

4.DEM在防災、減災和區域綜合治理開發等資源環境保護領域也有著重要的應用。

參考文獻：

[1]程綱，李志文，等.機載LiDAR技術快速生成高精度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構建方法[J].地理空間信息，2015，13（3）：22-24.

[3]廣東省數字高程模型更新（一期）專業技術設計書，2018.

（作者單位：廣東省地圖院1? ? 廣東省國土資源測繪院2）