機載LiDAR點云數據的后處理及應用

劉全海，冉慧敏

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢 430079； 2.常州市測繪院，江蘇常州 213002)

機載LiDAR點云數據的后處理及應用

劉全海1，2?，冉慧敏2

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢 430079； 2.常州市測繪院，江蘇常州 213002)

機載LiDAR作為一種高效的空間數據采集方法得到了有效的推廣和應用，利用機載LiDAR可以提取多種數據，特別是在提取DEM具有很多優勢，其成果數據在城市測繪工作中可以多方面應用，如建筑物高度提取，城市整體的DEM，等高線提取等。本文以常州為例，介紹了機載LiDAR的后處理、DEM提取以及在城市測繪中的應用范例。

：LiDAR；后處理；DEM

1 引 言

隨著GPS和INS(Inertial Navigation System)組合定位精度的提高，利用LiDAR(Light Detection And Ranging)數據制作DTM和DEM已經成為現實，機載LiDAR由于其高效、精確、全天候等特點，近幾年其應用發展十分迅猛[1]。

機載LiDAR技術通過應用機載激光雷達系統進行三維的空間測量，得到密集的地面物體的三維坐標點云數據。LiDAR系統采用主動方式獲取數據，其激光脈沖受陰影和太陽角度的影響較小，且有穿透性，能夠穿過云層和植物枝葉的縫隙，受氣候影響小。因此與傳統的攝影測量相比，LiDAR數據對天氣、季節以及時段要求較小，并且可以快速地獲取三維空間信息。

LiDAR系統獲取的高程數據，其精度不受航高限制，因此能夠結合數字航攝儀，并經過專用軟件處理，可在空中完成地面的DEM、DTM、DSM以及數字正射影像圖DOM的大規模生產，從而大大提高航測成圖的作業生產效率，減少生產環節，縮短生產周期，并且在一定程度上提高成圖精度。結合LiDAR數據和高分辨率影像，自動提取房屋及道路邊線[2]，成為快速數據采集和三維建模的方向。國內外很多學者在點云濾波算法及自動提取算法做了大量的研究，在機載數據的處理方面開發了很多工具。但在機載LiDAR點云數據的實際使用中，還有如高程異常批量改正、基準轉換、專題信息分類提取、DEM數據再編輯等后處理問題以及機載LiDAR數據的高效、多元應用方面還需要深入探討。

2 機載LiDAR數據的后處理

通過機載LiDAR獲取點云數據，對LiDAR點云的處理和分類研究集中在點云的濾波分類，常用的濾波算法有數學形態學濾波、移動窗口濾波、迭代線性最小二乘濾波等[4]。許多學者在這方面做了大量的研究并取得了大量成果。這些研究側重于LiDAR點云數據的分類與濾波提取方面，而且其分類和提取的主要生產工作集中在機載航空的處理部門或者研究單位，提供給測繪生產單位時一般經初步處理過的中間成果，因此測繪生產很少能涉及原始數據的處理。生產單位獲得初步成果后，在實際應用時，還需要進行坐標基準轉換、高程異常改正、標準DEM生成、分幅管理等后處理工作。

2.1 點云的基準轉換

機載LiDAR點云定位采用GPS/INS系統，其成果為WGS84或CGCS2000下的大地坐標B、L及大地高H。因此，在實際應用時，需要進行基準間的轉換，如CGCS2000到地方坐標系的轉換。進行基準轉換的算法很多，較為常用的有布爾沙-沃爾夫(Bursa-Wolf)模型(也稱七參數轉換)和莫洛金斯基(Molodensky)模型轉換?？紤]到點云數據量大的特點，基準轉換采用兩種辦法，一是通過開發專用的坐標轉換程序，批量地進行統一基準轉換；二是采用成熟的轉換軟件(或工具)進行。常州市開發的專用坐標轉換程序可以批量地、快速地處理海量點云數據。

2.2 點云的高程異常改正

機載LiDAR點云成果采用是大地高系統，大地高以參考橢球面為基準，而常用的正常高以大地水準面或似大地水準面為基準。因此需要進行大地水準面差距或高程異常改正。常見的方法有基于平面或曲面擬合、配置、三次樣條等幾何內插法、殘差模型法、大地水準面模型法。點云數據面廣量大，利用大地水準面模型實現高程異常改正是主要方法。EGM2008是最新公布的全球重力場模型，其高程異常精度在我國大陸的整體精度為±0.2m[8]。由李建成院士研制的我國最新陸地數字高程基準模型:重力似大地水準面CNGG2011平均精度為±0.13m，其中東部地區±0.07m，西部地區±0.14 m[9]。常州于2004年建立常州區域內的似大地水準面模型則達到±0.015 6m[10]。

常州通過利用似大地水準面模型成果實現對海量點云數據的高精度、高效和自動批處理，實現了機載LiDAR點云的高程異常改正。

2.3 點云分類的基本流程

機載LiDAR點云分類常用各類成熟的軟件，國內有武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室黃先鋒博士團隊開發的分類軟件。以常州的數據為例，采用Leica AlS50機載掃描儀，數據處理軟件為TerraSolid系列軟件。TerraSolid系列軟件是芬蘭TerraSolid公司開發的一套專門處理激光點數據的軟件，基于Microstation開發，能夠較輕松地處理數百萬的點數據，在其豐富的功能模塊中，DEM的提取主要用到TerraMattch，TerraScan，TerraModeler，TerraPhoto這幾個模塊。其操作流程如圖1所示。

圖1 DEM提取步驟

整個操作流程中，點分類是非常重要的，只有在正確地分離出植物以及建筑點之后，才能將DEM準確地提取出來。其中根據高度來進行自動分類主要依賴于工作人員的工作經驗及其對作業區域地形情況的熟悉程度，需要結合正射影像剔除特殊地帶如水域、橋梁等地域的點云數據，提取成果如圖2所示。

圖2 DEM提取圖

2.4 點云數據的規格化及標準DEM的分幅輸出

經過TerraSolid生產出來的DEM是文本格式的數據，數據量小，但不能便利地應用于測繪工作。在一些城市中，會把DEM建立庫進行管理應用[5]，在城市測繪院中在此生產過程中，需要切實結合城市測繪所用數據的特點，建立DEM庫，并轉換為方便使用的數據格式，如IMG，GRID等可視化數據格式，也可以按圖幅轉換為可直接使用的CAD格式，以供地形圖進行提取調用。

根據常州本地的應用特點，采用三類數據進行加工以及存儲。

(1)原始分幅的點位的DWG文件存儲，根據需求獲取經過高程異常改正的原始數據進行分幅存儲。

(2)將所有的數據加工成為整張的GRID格式，可提供大范圍的高程數據，直觀且便于管理應用。

(3)將整張GIRD格式的DEM數據分割成標準的格網的DEM，進行分幅管理，可為日后的航測等應用提供數據基礎。

3 LiDAR點云數據在城市測繪中的應用

數據集是徠卡ALS50激光雷達系統所采集的Li-DAR成果數據，絕對地理位置位于江蘇省常州市城區。系統數據采集基本參數信息如下:航高約800 m；航飛速度約70 km/h；最大掃描角度24°；最大回波記錄次數4次；點陣密度約為4 pts/m2；平均點距約0.5m；點云平面誤差小于1.0 m，高程誤差小于0.5 m。

3.1 中小比例尺地形圖高程的獲取

LiDAR點云的數據源不同，其精度也不同。不同比例尺的圖形數據對高程的精度要求也不同。如比例尺為1∶5 000，1∶10 000的圖形數據，其高程數據可以從已處理好的DEM中提取，從而代替高程數據的外業采集工作。當然，該工作需要激光點云本身具有足夠的精度，如點分類工作要做得足夠好，特別是對農田以及山體上的矮小植被的剔除要做得足夠精細。

3.2 三維渲暈圖的制作

對于常規的城市測繪GIS數據基礎，除了通常認為的矢量地圖和影像地圖等數據外，應還補充高程數據基礎。其除了可以作為電子地圖的底圖，還可作為制圖底圖從而增強地圖的立體感，使得數據更為便捷高效。以常州為例，制作山體效果圖如圖3所示。

圖3 DEM山區成果

3.3 山區等高線的制作

對于一些較高山體，可以直接通過DEM生成等高線，其真實性以及便捷性是其他方法無法比擬的，特別是人難以到達的島嶼或者山區，此方式非常適用。

3.4 數字航測用正射影像數據的制作

可以將LiDAR提取的DEM成果數據導入數字航測過程中，特別是針對那些使用傳統手段生產DEM的效果不是特別好的地區，如山區等，可以通過這種方式來減少等高線的修補工作量，提高正射影像的生產效率。另外，DEM作為遙感影像數字正射糾正過程中必不可少的基礎數據，在進行遙感影像數字正射糾正時，采用LiDAR所提取的DEM數據，與利用在地形圖上提取高程點所生成的DEM相比，能夠顯著提高正射糾正的效果。

3.5 機場凈空調查應用

激光雷達數據非常具有實用價值，它能用于需要高程數據的項目。如在常州機場的凈空調查項目中，可以將激光點位作為主要工作資料，地形圖為輔助工作資料，進行數據的初步篩選，篩選出超出限度的高程點，然后初步認定其性質。從而在一定程度上減輕常州機場凈空外業調查工作量，提高工作效率。篩選流程示意圖及其效果如圖4～圖6所示。

圖4 超高地物初步篩選

圖5 參考面制作

圖6 初步篩選成果

3.6 城市三維建模的應用

地面三維激光掃描系統可以快速獲取目標對象表面的三維信息，因而在數字城市、文物保護以及建筑物三維重建等領域已成為當前研究的熱點[5]。但就大范圍的城市建模而言，影像與LiDAR數據信息融合在三維城市建模中，有著更為廣泛的應用。以常州數據制作為例，將三維的地形模的邊線特征線通過DEM采集高程，則可得到精確的邊線高程，從而為三維數字城市的地形制作保證了高度精度。同時可以獲取到道路中心線高程，為準確的道路制作打好了數據基礎。經過分類的建筑點位，成為建筑高程提取的可信的數據來源。

4 結 語

LiDAR點云數據的后處理是LiDAR點云數據使用時必須解決的工作。通過開發專用的坐標基準轉換軟件實現對海量點云數據的批處理，利用似大地水準面模型進行高程異常改正，點云數據的規格化及標準DEM的分幅輸出極大地方便了用戶使用。LiDAR點云數據在DEM提取、DOM制作、三維建模等方面有著廣泛的應用前景。

[1] 張小紅.機載激光雷達測量技術理論與方法[M].武漢：武漢大學出版社，2007：2～3.

[2] 李怡靜，胡翔云、張劍清等.影像與LiDAR數據信息融合復雜場景下的道路自動提取[J].測繪學報，2012(6)：870～873.

[3] 閆利，張毅.基于法向量模糊聚類的道路面點數據濾波[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，329120：1119～1122.

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[10] 李建成，劉全海.常州似大地水準面確定技術研究報告[R].常州：常州市測繪院，2005：66～70.

寧波市測繪設計研究院加快推進測繪新技術應用

(本刊訊)近日，寧波市測繪設計研究院按照國家測繪地理信息局印發的《測繪地理信息發展“十二五”總體規劃綱要》中關于“加快測繪科技創新，建設信息化測繪體系”的要求，啟動“車載激光掃描與全景成像城市測量系統”和“靜態三維激光掃描技術”應用系列培訓，下發指導文件，扎實推進測繪信息化步伐。

2月下旬，該院下發《關于推進車載激光掃描與全景成像城市測量系統應用的若干意見》文件，要求在提高認識的基礎上，按照“成熟一個應用一個”的思路推進新技術應用。現已理順作業流程的規劃竣工、城市部件采集和地下車位量測項目，要優先采用車載系統。同時研究建立公路測量、文物保護、數字工廠和土石方量算等項目的作業流程，以實際項目為依托，加快新技術推進。文件還就配合有序、確保生產，總結經驗、及時反饋兩個方面提出了具體要求。

寧波市測繪設計研究院上下聯動啟動系列培訓，院總工辦組織了“車載激光掃描與全景成像城市測量系統”技術講座。由院一名博士和一名碩士主講，內容有地面三維激光掃描技術發展概況、車載系統的硬件組成、工作原理、數據處理流程、經典應用案例等。119名專業技術骨干參加了學習。緊接著該院規劃一所牽頭組織了“基于靜態三維激光掃描技術的建筑竣工測繪”技術講座。兩名技術骨干結合工作實例對點云數據的預處理(點云的合并及抽稀)、MPC軟件的點云處理過程、點云成圖，靜態三維激光掃描系統的硬件組成、工作原理、外業操作流程以及RiscanPro軟件的操作過程進行了講解。

新技術培訓主講人理論聯系實際，簡單易懂。講座結束后大家踴躍提問，主講人詳細回答。靜態三維激光掃描系統講座后還進行了現場MPC軟件操作模擬練習，練習人邊體驗邊提出自己的感想和建議，其他人緊張記錄，整個培訓內容充實，系統連貫，達到了較好的效果。

(寧波市測繪設計研究院 顧開建供稿)

《城鄉規劃工程地質勘察規范》正式實施

由北京市勘察設計研究院主編的國家行業標準《城鄉規劃工程地質勘察規范》(CJJ57-2012)經住建部2012年11月1日第1514號公告發布，于今年3月1日起實施。該規范的實施將進一步加強城鄉規劃工程地質勘察工作，為城鄉規劃選址和相關地質資料管理等提供重要的專業支撐。參編單位包括:廣州市城市規劃勘測設計研究院、武漢市勘測設計研究院、中國建筑西南勘察設計研究院有限公司、建設綜合勘察研究設計院有限公司、天津市勘察院、北京市城市規劃設計研究院。

(來源：http：//www.bgi.com.cn)

Airborne LiDAR Data Post-Processing and App lication in Urban Surveying and M apping

Liu Quanhai1，2，Ran Huimin1
(1.School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China；2.Changzhou Mapping and Surveying Institute，Changzhou 213002，China)

The Airborne LIDAR as an effective spatial data acquisitionmethod has gotten effective promotion and application.The LIDAR data can be used to extracta variety of data.In particular，ithas a great advantage to extract DEM，and the results can be widely used in urbanmapping work.Such as building height extraction，the whole city DEM，contour extraction.Take ChangZhou City for example，this paper introduced the postprocessing of airborne LiDAR data、DEM extraction and the application in the city Surveying and Mapping.

LiDAR；DEM；PostProcessing

1672-8262(2013)02-92-04

P237，TP751

A

2013—01—09

劉全海(1972—)，男，博士研究生，高級工程師，主要從事衛星大地測量及三維數字城市工作。