基于Terrasolid的機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云組合濾波方法研究

劉哲延,劉 璐

(貴州省第一測繪院 貴州 貴陽 550025)

0 引言

機(jī)載激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)是一種集激光測距系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system,INS)于一身的新型測量系統(tǒng),用于獲取被測對象表面三維坐標(biāo)并生成精確的數(shù)字三維模型。機(jī)載LiDAR技術(shù)具有較大程度穿透植被獲取真實(shí)地表坐標(biāo)的能力,被廣泛用于大范圍地面數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)制作。由機(jī)載LiDAR獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要由地面點(diǎn)、非地面點(diǎn)和噪聲組成,復(fù)雜的地形、形態(tài)各異的非地面點(diǎn)以及大量的噪聲極大增加了通過濾波獲取正確地面點(diǎn)的難度。在實(shí)際生產(chǎn)中,通過專業(yè)點(diǎn)云處理軟件濾波得到的地面點(diǎn)云通常無法直接用于制作DEM,而是需經(jīng)過人工編輯后才能做進(jìn)一步使用。因此,從機(jī)載LiDAR點(diǎn)云中通過濾波盡可能多地獲取正確的面點(diǎn)以減少后期人工編輯具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在實(shí)際航空攝影過程中,由于存在懸空云霧或儀器自身問題等情況,機(jī)載LiDAR點(diǎn)云可能有大量噪點(diǎn)。針對去噪和地面點(diǎn)濾波算法,已經(jīng)有學(xué)者做過大量研究[1-3]。但該類研究主要側(cè)重于理論,多探討算法本身,與工程實(shí)踐結(jié)合不夠緊密,在工程實(shí)踐中遇到的情況極其復(fù)雜,單一算法難以滿足實(shí)踐需求,通常是通過相關(guān)商業(yè)軟件設(shè)定濾波算法組合以達(dá)到期望效果。Terrasolid軟件是目前被廣泛用于處理機(jī)載LiDAR點(diǎn)云實(shí)際工程數(shù)據(jù),在國內(nèi)得到了較多應(yīng)用[4-5]。采用Terrasolid進(jìn)行常規(guī)組合濾波的流程通常為去除飛點(diǎn)、孤立點(diǎn)和低點(diǎn),通過軟件內(nèi)置的ground算法(分類地面點(diǎn))得到地面點(diǎn),再在此地面點(diǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行建筑、植被等點(diǎn)云的分類。但Terrasolid的地面點(diǎn)分類采用的是漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法,經(jīng)典的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法基本原理為:首先對數(shù)據(jù)區(qū)域劃分規(guī)則格網(wǎng),認(rèn)為格網(wǎng)中最低點(diǎn)為地面點(diǎn),并作為初始化的種子點(diǎn)[6-7];然后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng),再遍歷非地面點(diǎn),若三角面的坡度小于該閾值,則計(jì)算待判斷點(diǎn)到三角面的距離,以及待判斷點(diǎn)與距離最近的三角面的頂點(diǎn)的連線與三角面之間的夾角,示意圖如圖1所示,如果這兩者均小于給定的閾值,則將待判斷點(diǎn)視為地面點(diǎn),計(jì)入地面點(diǎn)集[8];重復(fù)以上步驟,直到不再有新的地面點(diǎn)生成。

圖1 經(jīng)典的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法中迭代加密步驟對待判斷點(diǎn)計(jì)算距離d和夾角α

經(jīng)典的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法雖然普適性較好,但是該算法執(zhí)行效率較低且對孤立點(diǎn)、飛點(diǎn)、低點(diǎn)、低矮植被、低矮構(gòu)筑物等較為敏感,導(dǎo)致濾波結(jié)果出現(xiàn)錯誤。本文基于Terrasolid軟件,結(jié)合點(diǎn)云回波特性、地形數(shù)據(jù)和噪聲的相對關(guān)系,提出了一種組合濾波的方法,提高了地面點(diǎn)濾波的準(zhǔn)確度,為實(shí)際工程中點(diǎn)云組合濾波方法提供參考。

1 方法與步驟

就機(jī)載LiDAR點(diǎn)云而言,通過噪聲點(diǎn)與地表點(diǎn)的位置關(guān)系可以將噪聲點(diǎn)分為三類:獨(dú)立于地表點(diǎn)的噪聲點(diǎn)、與地表點(diǎn)相交的噪聲點(diǎn)、與地表點(diǎn)混雜的噪聲點(diǎn)。少量的孤立獨(dú)立噪聲點(diǎn)可以通過點(diǎn)的離群距離去除,但大量聚集的噪聲點(diǎn)卻經(jīng)常被誤判為地物,相交噪聲點(diǎn)和混雜噪聲點(diǎn)僅難以通過噪聲點(diǎn)的離群距離剔除,該類噪聲點(diǎn)通常由人工編輯去除,這往往耗時費(fèi)力,且難以明確界定交織點(diǎn)為地面點(diǎn)還是噪聲點(diǎn)。如圖2所示[4]。

圖2 噪聲點(diǎn)類別

利用噪聲點(diǎn)和地表點(diǎn)的位置關(guān)系可以在Terrasolid中快速實(shí)現(xiàn)去噪功能,但由于該算法中地表點(diǎn)的提取是與去噪交替進(jìn)行的,故該算法的去噪效果與地表點(diǎn)的選擇有較大關(guān)系。機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)通常都有多次回波,首次回波一般為樹冠、裸露地表、樓頂、高空噪聲等區(qū)域,末次回波則大多數(shù)為地面點(diǎn),非首、末次回波多為冠層下的樹葉、樹干、鏤空的地面構(gòu)筑物等。利用回波特性,可以去除大量相交噪聲點(diǎn)和混雜噪聲點(diǎn)。基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的回波特性,算法如圖3所示。

圖3 算法流程圖

(1)初始化機(jī)載LiDAR點(diǎn)云。濾波前初始化準(zhǔn)備,把所有類別的點(diǎn)云劃分到Default類中。

(2)孤立點(diǎn)、飛點(diǎn)、低點(diǎn)分類。利用孤立點(diǎn)、飛點(diǎn)、低點(diǎn)與點(diǎn)云主體的位置關(guān)系,剔除離群較遠(yuǎn)的噪聲點(diǎn)。

(3)利用回波特性構(gòu)造初步地表點(diǎn)集合。將首次回波的點(diǎn)云和末次回波的點(diǎn)云歸為一類,再對該點(diǎn)集提取地表點(diǎn),這些表面點(diǎn)能夠包含絕大部分的地面點(diǎn)和地物點(diǎn),同時去掉了中間回波的干擾,可以用作去噪的基準(zhǔn)面。

(4)以地表點(diǎn)為基準(zhǔn)區(qū)分高于地表的點(diǎn)、地表附近的點(diǎn)和低于地表的點(diǎn)。借助粗略劃分地表點(diǎn)點(diǎn)集合為基準(zhǔn),利用噪聲點(diǎn)和地表點(diǎn)的位置關(guān)系去噪。

(5)把除噪聲以外的點(diǎn)歸入Default。后續(xù)進(jìn)行地面點(diǎn)濾波需要去噪后的點(diǎn),該類點(diǎn)包含了首次提取的地表點(diǎn)和原本Default圖層中的點(diǎn)。

(6)提取地面點(diǎn)。使用Terrasolid內(nèi)置的地面點(diǎn)濾波算法提取地面點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)區(qū)位于貴州省六盤水市境內(nèi),數(shù)據(jù)由Riegl 580Ⅱ機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備于2021年采集所得。試驗(yàn)區(qū)最大點(diǎn)密度為13.5 個/m2,平均點(diǎn)密度5.09 點(diǎn)/m2。取1 km×1 km為試驗(yàn)區(qū),該區(qū)域高差達(dá)500 m,屬于典型的高地形。該區(qū)域密林區(qū),植被覆蓋高,由于測區(qū)高差大,在航攝的時候遇到的云霧,導(dǎo)致有較多的連片懸空噪點(diǎn)和連片低點(diǎn)。如圖4、圖5所示。

圖4 試驗(yàn)區(qū)范圍

本文所述的組合濾波方法在Terrasolid中實(shí)現(xiàn)如表1所示。

運(yùn)行本文組合濾波方法后,生成對應(yīng)的DEM山體陰影圖,并將本文所得結(jié)果和Terrasolid常規(guī)組合濾波算法結(jié)果對比如圖6～圖8所示。

圖6 常規(guī)濾波后DEM山體陰影圖(45°俯視圖)

圖7 常規(guī)濾波后DEM山體陰影圖

圖8 本文組合濾后DEM山體陰影圖

從圖6～圖8中可以看出,本文提出的組合濾波方法相對Terrasolid中傳統(tǒng)濾波方法在抵抗噪聲和建筑物濾除方面有著更好的效果,但也將部分山體被誤分為非地面點(diǎn)。但總體來說,本文組合算法與Terrasolid中傳統(tǒng)濾波方法相比,更能兼顧抗噪和建筑濾除的效果。

3 結(jié)語

綜上所述,本文基于Terrasolid軟件,結(jié)合點(diǎn)云回波特性、地形數(shù)據(jù)和噪聲的相對關(guān)系,提出了一種組合濾波的方法,并將其與常規(guī)采用Terrasolid進(jìn)行組合濾波的流程方法進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了本文組合濾波方法在地面點(diǎn)分類中更能兼顧抗噪和建筑濾除效果。同時本文給出了Terrasolid中組合濾波方法的具體實(shí)現(xiàn),具有較強(qiáng)的可操作性,可對廣大專業(yè)技術(shù)人員的工程實(shí)踐提供直接參考。但在工程實(shí)踐中可能遇到不同的場景,專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)對不同濾波方案進(jìn)行比選,選取最合適的點(diǎn)云濾波方法。