激光雷達的標準化現狀剖析

郭玉芳

（1.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所，陜西 西安 710054）

激光雷達的標準化現狀剖析

郭玉芳1

（1.國家測繪地理信息局測繪標準化研究所，陜西 西安 710054）

激光雷達（LiDAR）是一種主動式遙感探測技術，具有測量精度高、信息量豐富等特點。隨著LiDAR技術的不斷發(fā)展和應用需求的增長，LiDAR的標準化進展也愈加受到社會各部門的關注。在分析研究發(fā)達國家LiDAR標準化進展的基礎上，對我國LiDAR標準化現狀和存在的問題進行了剖析，提出了發(fā)展和完善LiDAR等測繪新技術標準的對策。

LiDAR；點云；標準；地理信息

LiDAR是近年來遙感領域發(fā)展起來的一種集激光掃描儀、GPS以及慣性導航系統（INS）于一體的主動式遙感探測技術。其具有波束窄、定向好、植被穿透力強、測量精度高等特點，且激光脈沖不易受云層和太陽角度的影響，大大提高了數據采集的質量。LiDAR技術在地形測繪、道路、電力線測繪、森林參數測量、三維城市建模等領域都具有廣闊的發(fā)展前景和應用需求[1]。歐美等發(fā)達國家在LiDAR領域的發(fā)展和應用已有近20 a的成功經驗，并已開始向大范圍應用方向發(fā)展。2010年，美國地質調查局（USGS）啟動了一項國家空間項目（NGP），對覆蓋全境范圍的LiDAR數據進行獲取。該項目不僅帶動了LiDAR技術的普及性推廣，而且推進了LiDAR數據的標準化進展。我國在LiDAR技術領域的發(fā)展和應用起步較晚，LiDAR標準化工作的發(fā)展也相對滯后，本文在研究發(fā)達國家LiDAR標準化進展的基礎上，剖析了我國LiDAR標準化現狀和存在的問題，探討并提出了發(fā)展LiDAR等測繪新技術標準的對策。

1 國際LiDAR標準化的進展

在LiDAR標準化領域，美國一直走在世界前列，因此本文以美國為例說明當前國際LiDAR領域標準化的進展狀況。美國測繪地理信息標準的研制主要受市場的驅動，呈現多元化的特點，LiDAR的相關標準也較多，側重點亦各不相同。目前，在LiDAR領域有兩 項影響頗為廣泛、適用性較高的標準：美國攝影測量與遙感學會（ASPRS）在2003年發(fā)布實施的團體標準《LAS規(guī)范》（1.0版本）和USGS在2012年發(fā)布的《激光雷達基礎規(guī)范》。

1.1 《LAS規(guī)范》

該標準主要規(guī)定了LiDAR點云數據的記錄格式，旨在使不同類型的LiDAR硬件裝置和軟件處理工具都能為用戶提供一種開放的、通用的數據格式，方便用戶使用和數據共享。該標準經過不斷更新完善，目前正式發(fā)布的最新版本是1.4版，同時ASPRS 也正在研究更高級版本LAS Specification PROPOSAL 2.0[2-3]。《LAS規(guī)范》（1.4版本）將LiDAR文件結構分成4個部分，分別是頭文件、變長記錄、點數據記錄和可擴展的變長記錄[4]，具體內容見表1。

表1 LAS文件主要結構和內容

規(guī)范而靈活的LAS 文件結構，提供了一種通用的、開放式的LiDAR點云數據記錄格式，既滿足了商業(yè)化市場LiDAR軟、硬件技術發(fā)展的多元化需求，也使LiDAR技術發(fā)展和應用的通用性和實用性得到了很大提高。該標準的重要性是不言而喻的，同時也奠定了USGS隨后制定其他LiDAR標準的基礎。

1.2 《激光雷達基礎規(guī)范》

2009年USGS啟動了NGP項目進行全國范圍LiDAR數據的獲取，為了保障NGP整體數據的質量和統一性，2012年USGS正式發(fā)布了《激光雷達基礎規(guī)范》（1.0版本）。該標準也在不斷更新完善，目前最新的是1.2版本。該標準發(fā)布后迅速被美國的許多州、縣以及企業(yè)所接受，一些國家還將該標準作為本國制定LiDAR規(guī)范的基礎[5]。該標準主要規(guī)定了獲取和處理LiDAR數據的基本要求和最小（低）參數，涵蓋了LiDAR數據獲取的要求、點云數據的存儲規(guī)范、點云數據高程精度的檢測與驗證、點云數據的分類以及最終交付成果的要求等內容[5]。表2是《激光雷達基礎規(guī)范》（1.2版本）的主要章節(jié)和內容。

表2 《激光雷達基礎規(guī)范》主要內容

2 我國LiDAR標準化的現狀及存在的問題

近幾年隨著激光雷達技術應用和需求的不斷增長，我國測繪地理信息主管部門也相繼發(fā)布了數項LiDAR相關行業(yè)標準，具體見表3。這些標準在推動和促進LiDAR技術的規(guī)范發(fā)展和應用方面都起到了積極作用。

表3 我國現有的LiDAR標準及主要內容

深入分析和研究了我國現行的LiDAR相關行業(yè)標準及其主要內容，并與美國上述兩項LiDAR標準進行比對，筆者認為我國在LiDAR標準化領域尚存在以下問題：

1）部分LiDAR標準仍存在缺失現象。LiDAR系統采用激光掃描的方式獲取回波信號，由于激光脈沖具有穿透作用，所以在一次掃描過程中可以收到多次的回波信號。因而，LiDAR數據具有海量存儲，回波信號屬性信息豐富的特點。分析我國現行的LiDAR標準發(fā)現：針對LiDAR數據部分環(huán)節(jié)的標準還存在缺失現象，如對原始點云數據存儲格式的規(guī)定，對原始點云數據的檢測要求，多元化LiDAR產品的類型及數據規(guī)定等。這些標準的缺失，不利于LiDAR技術的推廣應用，也制約了LiDAR數據的多部門共享和使用。

2）LiDAR數據產品比較單一，未能發(fā)揮其豐富信息。USGS在《激光雷達基礎規(guī)范》中將LiDAR數據產品按照精度分級，同時在最終的交付成果中包括：原始點云數據、分類后的點云數據、柵格數字高程模型以及特征線多種產品，這種多元化的地理信息產品既兼顧了不同部門對高程數據精度的不同要求，又避免了高精度數據帶來的信息冗余，同時還實現了一次數據的獲取，多部門數據的共享和重復利用，推動了地理信息資源價值的提升。

目前，我國的相關標準對LiDAR產品的規(guī)定還比較單一，仍局限于DEM和DSM，并未完全體現LiDAR數據所反映地物豐富信息的優(yōu)勢，因此，發(fā)展多精度等級、多元化地理信息產品也是新時期測繪地理信息部門服務經濟社會發(fā)展的需求。

3）LiDAR新技術標準更新滯后，相關機制亟需完善。不論是《LAS規(guī)范》亦或是《激光雷達基礎規(guī)范》，在標準的1.0版本推出之后，都有更高級版本不斷更新，這既是LiDAR技術迅速發(fā)展的要求，也是新技術標準自身不斷完善的需求。而我國標準的修訂和更新機制相對滯后，如在2011年發(fā)布的兩項LiDAR數據獲取和處理的標準并未能隨著LiDAR技術的發(fā)展適時進行修訂和完善，在一定程度上影響和制約了LiDAR技術的應用推廣。因此，建立新型的標準修訂和更新機制，尤其是在測繪新技術標準領域，也是當前我國改革標準化體制的一項重要內容。

3 結 語

LiDAR具傳統測繪無法比擬的優(yōu)勢，可以快速獲取高密度、高精度數據；能穿透植被覆蓋精確探測地面真實地形；可提供豐富的數據產品，如DEM、DOM、DSM等。本文在分析研究發(fā)達國家LiDAR標準化進展的基礎上，分析了我國LiDAR標準化現狀和存在的問題，提出了在當前標準化體制改革的環(huán)境下，發(fā)展和完善LiDAR等測繪新技術標準的對策，為相關標準的制定提供參考和借鑒。

[1] 張留民,呂寶奇,林蒙恩. LiDAR標準數據格式(LAS)的解析與處理[J].測繪與空間地理信息,2014,37(5)：131-132,136

[2] 周曉明,唐德瑾,馬秋禾,等.LAS Version 2.0數據格式解析[J].測繪工程,2010,19(4)：43-46

[3] 劉春,姚銀銀,吳杭彬.機載激光掃描(LiDAR)標準數據格式(LAS)的分析與數據提取[J].遙感信息,2009,24(4)：38-42

[4] ASPRS.LAS Specification Version1.4 [EB/OL]. http：//www. asprs.org/Press- Releases/LAS-1-4-Draft-Specification-Released-by-ASPRS.html, 2012-05-03/ 2015-04-06

[5] Hans Karl Heidemann.LiDAR Base Specification 1.2[EB/OL]. http：//nationalmap. gov/standards/index.html, 2014-11-13/ 2015-05-16

[6] CH/T 3014-2014.數字表面模型機載激光雷達測量技術規(guī)程[S].

[7] CH/T 8024-2011.機載激光雷達數據獲取技術規(guī)范[S].

[8] CH/T 8023-2011.機載激光雷達數據處理技術規(guī)范[S].

P237

：B

：1672-4623（2016）11-0004-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.002

郭玉芳，碩士，高級工程師，主要從事測繪地理信息標準的研究與制定工作。

2015-11-11。

項目來源：2015國家測繪地理信息行業(yè)科研專項資助項目（201512006）。