斷裂線輔助機載LiDAR生產DEM的應用探討

王婷婷

(甘肅省測繪工程院，甘肅 蘭州 730010)

在1∶1萬基礎測繪項目中，長期采用傳統的航測方法進行數字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)生產。為了應用機載LiDAR((Light Detection and Ranging))這項新技術，甘肅省第一次在省級1∶1萬基礎地理信息更新項目黃河干流臨夏永靖至黃河石林三維場景構建項目中，使用最新的機載LiDAR點云數據生產1∶1萬DEM產品。

本文介紹了以機載LiDAR數據作為數據源制作DEM過程中，在通過專業軟件對點云數據進行自動分類處理的基礎上，認真分析和研究采用添加斷裂線的方式對點云數據進行修正，總結技術方法和生產經驗，探討斷裂線輔助LiDAR生產DEM的作業方法、關鍵技術及解決方案。

1 測區及數據概況

黃河干流臨夏永靖至黃河石林段測區位于黃河上游，地處甘肅省中部，地貌特征以基巖山地和山間盆地為主，西北部大地構造屬祁連山脈東延部分。黃河將境內地形分為西北與東南兩部分，且分別由西北與東南向黃河河谷傾斜。測區內有植被茂密區、陡石山地貌、甘肅特色居民居住區、大型河流水庫等多種地類地貌，基本涵蓋了甘肅省境內的地形地貌特色。

本測區航空攝影工作由河北翔通信息技術有限公司承擔完成，LiDAR點云數據由GALAXYPRIME航攝儀獲取，影像數據采用UCXPWA航攝儀進行航空攝影。本測區共分為3個航攝分區，分區編號為01、02、03，攝區代號為20019，其中LiDAR點云數據航攝儀編號為5060423，絕對航高為5 900 m，點間距優于2 m；影像數據航攝儀編號為70311155，01分區絕對航高為5 900 m，02、03分區絕對航高分別為5 900、6 200 m，本測區影像地面分辨率均為0.4 m。

2 激光LiDAR數據生產DEM的原理及數據處理流程

2.1 LiDAR數據生產DEM的原理

作為一種新興的空間主動式對地觀測技術，機載LiDAR，即激光探測與測量，利用GPS(Global Position System)和IMU(Inertial Measurement Unit)機載激光掃描，其所得的數據可以量測地面物體的三維坐標，表示為數字表面模型(Digital Surface Model, DSM)的離散點，且含有激光強度信息。點云應用分類技術在這些原始數字表面模型中消除建筑物、人造物、植物覆蓋等量測點，即可獲得DEM，并同時得到地面覆蓋物的高度。它快速獲得地物的三維坐標和準確的高分辨率DSM，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[1-4]。

2.2 LiDAR數據生產DEM的處理流程

2.2.1 坐標系統轉換

LiDAR點云數據提供的原始數據資料包括：原始點云數據、預處理點云數據、IMU/GNSS(Global Navigation Satellite System,全球導航衛星系統)數據文件。數據平面坐標系為2000國家大地坐標系，高斯-克呂格投影，中央經線為102°、105°，高程系統為大地高。為滿足生產需求，原始點云數據在使用時應首先利用甘肅省似大地水準面精化成果將大地高轉換為正常高后再進行修測。

2.2.2 數據分塊

讀取不同航帶的機載激光雷達點云數據，由于點云數據量太大，生產時需要對點云數據進行分塊，分塊尺寸根據數據處理軟件、硬件性能確定，本測區統一按照1∶1萬標準圖幅進行分塊。

2.2.3 點云濾波

點云濾波主要是利用自動算法將點云數據按照噪聲點、地面點和未分類點進行分類，分別存放在相應的地類中。

2.2.4 分類編輯

點云分類是點云數據處理階段的主要工作。由于在DEM生產過程中，只需要利用地面點，而濾波后的點云可能存在錯分、少分或多分的情況，因此，分類編輯主要是對濾波后點云中不屬于地面的點采用人工添加斷裂線的方式進行重新分類，并通過分類編輯存放在相應的類別中。分類編輯過程中可參考相應區域同期生產的DOM(Digital Orthophoto Map,數字正像影像)或DEM暈渲圖，便于解譯。

2.2.5 斷裂線的采集

通過點云分類顯示、高程顯示等方法，目視檢查分類編輯后的點云，對有疑問的區域采用斷面圖進行查詢和分析。按照輔助反映地表、地物原貌信息的原則切準模型，采集帶有高程信息的特征線，如道路邊線、河流邊線、面狀水域(湖泊、水庫、池塘等)范圍線等。

2.2.6 構建不規則三角網

利用編輯后的點云中的地面點和斷裂線完成不規則三角網(TIN)的構建，將其按規定的5 m × 5 m格網尺寸進行內插，生成DEM。

2.2.7 高程精度檢測

利用外業控制點和檢查點檢測DEM高程精度，通過統計結果可以看出，DEM產品的高程精度不僅達到了項目生產的要求，而且精度都較高。精度統計情況如表1所示(部分)。

表1 精度統計情況(部分)

3 斷裂線在人工干預點云分類中幾種特殊情況的處理方法

由于本測區內水庫、湖泊、河流等易形成鏡面反射的區域較多，易造成LiDAR點云反射率偏低；森林植被覆蓋密集，對LiDAR點云的穿透有影響，地面點的反射率偏低，并且對像控點的施測帶來一定的困難。

對于前期點云自動分類時被少分、錯分或是難以區分的地物，要對點云數據添加斷裂線進行約束，反映真實地貌，保證分類精度。斷裂線輔助機載LiDAR進行DEM的生產，遵循“所見即所得”的原則，采用逐一分辨解決的辦法，將所有分類不全、分類錯誤的噪聲點去除。以下分4種情況對添加斷裂線的情況舉例說明。

3.1 依山而建的建筑物

建筑物四周常高于建筑物的地基地面，建筑物的地基與四周的陡坎或斜坡存在高差，使得分界線在陡坎或斜坡與建筑物周圍地基之間比較模糊。如果按照點云真實情況，會生成一個錯誤的DEM，即傾斜的房屋地基面。同時，樹木容易遮擋此類建筑物四周，采集不到地面點云，無法將建筑物真實輪廓顯現出來。

處理方法為：對照影像添加斷裂線。斷裂線的高程是以建筑物周圍正確的地基高程為準，將建筑物四周地基修改到一個平面，恢復平滑地形。此種情況處理前后如圖1所示。

圖1 人工處理依山而建建筑物點云

3.2 水面處理

對固定或流動水域，以及河流、湖泊等面積較大的無數據水體區域，應采集水涯線作為特征線，其中，流動水域的高程應根據上下游水涯線高程進行分段賦值，以便真實地反映水面狀態。

處理方式分別為：

①范圍封閉的固定水域，如大型水庫、蓄水池、魚塘等，高程以攝影時的靜止水位為基礎；

②范圍開放的流動河流，如黃河、長江等，存在較大的高差在上下游河流水面之間，要由高到低緩慢過渡表示斷裂線。

此種類型處理前后如圖2所示。

3.3 地面上的道路或防護帶情況

地面上的人行道、隔離帶等，很大一部分被樹木遮擋，只能獲取到極少量的地面點云數，其真實地表狀態判讀困難。為了真實反映樹木遮擋部分的DEM高程，生產時主要參考同期影像[5-7]。

處理方法為：要保留被樹木遮擋的地面上的人行道、防護帶、花壇等地面點，必須參考同一條綠化帶或花壇等的地面點，添加斷裂線將高程信息補充完整，且需人工找回被自動濾波時削平的植被茂密的山頂點云。此種類型處理前后如圖3所示。

圖3 人工處理街道綠化帶點云數據

3.4 高架路、立交橋等

架空于地面或水面上的人工構筑物，很容易將高架路、橋梁等地物離散點作為地面點被錯誤分類，要想保留地面或水面上的點云數據，就必須分析同期DOM影像數據，進行人工干預。此種類型處理前后如圖4所示。

圖4 架空地物添加斷裂線處理后效果對比

4 結束語

在黃河干流臨夏永靖至黃河石林三維場景構建項目中，利用機載LiDAR數據獲取的離散點，因為被建筑物和植被遮擋，空間分布不規則，未能將真實地形通過點云表現出來，且存在分類不全、分類錯誤的現象，目前任何專業軟件自動分類處理點云數據都解決不了這一問題，無法直接生產DEM。出現這種情況，就需要對錯誤點云數據采用人工干預，即人工添加斷裂線的方式進行修改。本文論述了在生產黃河流域1∶1萬DEM過程中，機載LiDAR數據遇到的實際問題及處理方法，對斷裂線輔助機載生產DEM的技術進行探討，使DEM產品精度和生產效率得到了極大提高，對今后甘肅境內同類型基礎測繪項目的DEM生產提供了實踐經驗，具有借鑒和指導意義。 作為一項新興技術，機載LiDAR技術具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無可比擬的優越性，廣泛用于基礎測繪、攝影測量、三維可視化、數字城市等眾多行業，應用需求量大，發展前景廣闊[8-9]。激光雷達技術使DEM生成、地物要素的自動提取更加便捷。LiDAR獲取的地面點云數據通過專業數據處理軟件處理后，很容易融合到其他數字地理信息產品中，極大地縮短了各種地理信息產品的生產更新周期，提高了生產地理信息產品的效率和使用的現勢性[10]。