機載LiDAR數據生成水系DEM方法研究

俞麗燕 王雅黎 邢曉彬

（中國人民解放軍61618部隊，北京 100088）

0.引言

激光雷達技術是一項通過由傳感器所發出的激光來測定傳感器與目標物之間的距離的主動遙感技術[1]。它通過紅外光束的發射、反射和接收來探測物體的距離，并使用反射光束的時間和波長來估計距離，并且激光成像創建對象的3D表示[2]。目前，LiDAR技術已經成為地理信息數據處理的一項非常重要的技術，被廣泛應用到各行各業。使用LiDAR數據可以生成很多后期產品，其中DEM就是一項非常普遍的應用。和其他技術一樣，LiDAR也有其缺點和局限性，例如水體所在區域的點云會有如特征：激光點稀疏；回波強度弱[3]。而實際獲取的數據情況更加糟糕，很多水系區域甚至沒有一個激光點。

DEM是對地面特性進行空間描述的一種數字方法、途徑。它以某一范圍內的地形數據為基礎，通過一定的數學變換，將某一范圍內的地形地物以三維空間的形式表示在一個二維的平面上，以離散分布的平面點來模擬分布的地形[4]。由于水系區域LiDAR點稀疏甚至沒有，導致生成的DEM中水系部分會存在不真實的情況。本文描述一種新的方法，對水系部分生成DEM進行改進，添加斷裂線予以置平以補充水系區域缺失的LiDAR點，達到了DEM整體美觀、對地形表達正確的效果。這種方法經試驗驗證可以提高水系DEM生成的質量和精度[5]。

1.傳統方法生成DEM的原理與優缺點分析

DEM生成時對于水系的處理通常有兩種方法：第一種方法是去掉所有的水點進行生成，水面完全由最低的河岸點內插形成。它的優點是操作起來便捷，可以減少數據量，運行時間相對較短，但是生成的DEM在水系區域表達不真實，存在大的網格拉伸導致整體不美觀。結果如圖1所示。另一種方法是使用掃描的水點進行生成。它的優點是操作比較簡單，但是由于水點稀少、時有時無的這種獲取的特殊性，在同一水域會出現表達不一致的情況。例如：一個湖水只獲取了一部分水點，則生成的DEM就會部分有實點，部分出現網格拉伸。結果如圖2所示。

圖1 使用河岸點內插得到的DEM圖

圖2 使用獲取的LiDAR點生成的DEM圖

2.添加斷裂線法改進水系DEM生成研究

為提高水系DEM生成質量和精度，這里研究一種添加斷裂線對水系進行置平的方法。通常對于水系的真實表達需要符合自然規律：對于封閉的水域，靜止的水面高程應該是同一個值；對于流動的水系，通常生成DEM的表達是沿著水流方向，高程值逐漸遞減，但是同一點對應的兩岸最低點高程值應該保持一致。自然獲取的LiDAR點很難滿足這種需求，為此，提出了添加斷裂線的方法，斷裂線賦值可以完全依照這種自然規律，使獲得的DEM在水系區域有更高的質量和精度。該方法具體包括以下5個方面：

2.1 數據準備

（1）LiDAR數據分類：這個步驟使用Microstation軟件中的Terrasolid插件進行處理，將Las格式的機載LiDAR數據進行分類處理，地面點和水點需要分類到不同的層中[6]。（2）采集2D水線：將采集的水線分開整理。雙線水中心線、雙線水范圍線、面狀水范圍線和島嶼的邊線分別存放在不同的文件中。

2.2 輸出水點DEM給雙線水的中心線進行賦值

（1）這個步驟使用Microstation軟件中的Terrasolid插件完成，DEM輸出時需要使用最低點，目的是確保生成的DEM中水面的高程不會高于河岸的高程。（2）再使用ArcGIS軟件基于輸出的DEM給雙線水的中心線進行賦值。

2.3 給雙線水和面狀水的范圍線賦值

（1）使用ArcGIS軟件中的River Flatten Dialog工具基于雙線水的中心線給河流范圍線賦值。（2）使用Microstation軟件中的Terrasolid插件抽稀水點并存成xyz格式。使用Feature Manipulate Engine軟件基于上一步驟中輸出的xyz水點給面狀水的范圍線進行賦值。

2.4 范圍線進行加密、離散并寫入Las文件

（1）使用Microstation軟件中的Terrasolid插件將賦值后的雙線水和面狀水的范圍線進行離散并加密，儲存城Las格式。（2）將上一步驟中離散并加密得到的點云數據與分類好的地面點數據合并儲存。

2.5 生成DEM

使用Microstation軟件中的Terrasolid插件基于完成的只有地面點和加密水點的機載LiDAR數據輸出DEM。

3.實驗與分析（試驗結果與可靠性分析）

3.1 試驗

試驗區域為一塊具有面狀水的簡單地形區域，數據為機載激光雷達點云數據，點云間距為8cm，大約有400萬個點云。按照前文步驟進行處理，得到如圖3所示的效果。

圖3 使用獲取的LiDAR點生成的DEM圖

3.2 分析

從以上試驗可以看出來利用斷裂線進行干預的DEM成果不僅美觀，而且更加符合自然規律，可以對水系地形地貌進行最準確的表達。

4.結語

高精度、快速地生成DEM，一直是地形地貌研究與分析的重要方面。文章提出的添加斷裂線予以置平法存在的問題：一方面，采集斷裂線，會導致步驟繁瑣，人工工作量的增加；另一方面，斷裂線的節點進行離散寫入，會導致數據量增大，運行時間增加。雖然存在缺點，但是卻能夠很好的表達水系地形地貌，為要求比較高的項目和研究提供了一種很好的解決辦法。