機載全波形LiDAR數據LAS格式解析和快速提取研究

姚松濤，邢艷秋，李夢穎，閆燦

(東北林業大學森林作業與環境研究中心，哈爾濱 150040)

機載全波形LiDAR數據LAS格式解析和快速提取研究

姚松濤，邢艷秋*，李夢穎，閆燦

(東北林業大學森林作業與環境研究中心，哈爾濱 150040)

機載全波形激光雷達(LiDAR)數據的提取是其后續分析和處理的首要工作，為快速提取機載全波形LiDAR文件數據，本文以研究區內采集的Leica ALS60激光雷達系統記錄的LAS1.3格式全波形文件數據為研究對象，以IDL8.3為編程開發平臺，在對LAS1.3全波形文件格式解析的基礎上，分析機載全波形LiDAR文件的數據結構與數據組織，判斷出全波形文件中記錄的全波形數據和點數據各自的存儲位置，然后應用內存映射文件方法，映射出全波形文件數據在內存中的映射標識，進而得到文件映射內核對象，之后結合Leica ALS60 LAS1.3全波形文件的主要字段參數值與全波形文件數據提取順序流程，結果表明本研究方法適合于LAS1.3二進制全波形大文件數據的讀取且效率很高，完成其全波形文件中波形數據的快速提取研究與可視化顯示，為全波形數據的波形分解和應用工作奠定基礎。

機載激光雷達；全波形數據；格式解析；快速提取

0 引言

激光雷達(Light Detection And Ranging，LiDAR)作為一種主動式遙感技術，通過發射激光脈沖和接收返回脈沖的方式，來獲取高精度的空間結構和地形信息[1-2]。隨著數據存儲能力和處理速度的提高，機載LiDAR系統目前能以很小的等時間間隔按先后順序記錄存儲著整個返回脈沖，為一系列隨時間變化的返回信號，這些返回信號被稱為全波形/波形數據[3-4]。

通過對全波形數據進行分析處理，能夠檢測到更多的目標物特征信息，且全波形數據轉換后得到的點云數量較系統自動獲取的點云數量具有一定幅度的增加，精度會有所提高[5-7]。對全波形數據進行分析處理的關鍵技術包括全波形數據文件的讀取與波形分解等[8-9]，其中全波形文件的讀取是首要前提。雖然Andre Samberg曾在2007年的ISPRS會議上解析并比較了多種版本的LAS文件格式，國內的張靖[10]等在對LAS格式進行解析的基礎上，針對LAS變長記錄的擴展域，介紹了一些實際的應用，劉春等[11]在對LAS格式進行解析的基礎上，提出了讀取LAS1.0格式點云文件的方法并檢驗了LAS格式的效率，趙自明等[12]提出了采用內存映射技術對點云文件進行快速讀取的思想，學者相繼對從不同方面對LAS格式不同版本文件進行了分析，但是沒有涉及LAS1.3格式全波形文件及其全波形數據信息的，總體而言，相關研究的報道相對較少。本研究基于Leica ALS60激光雷達系統實時記錄存儲的全波形文件，進行了LAS1.3激光雷達標準數據格式的解析和快速讀取研究，為進一步的全波形數據分析和處理工作奠定基礎。

1 研究區與數據

1.1 研究區概況

本研究選擇內蒙古自治區額爾古納市東南部的依根農林交錯區作為研究區域，其東與牙克石市為鄰，東南與陳巴爾虎旗相連，西和西南與拉布大林農牧場接壤，北與三河馬場交界，東北與根河市毗鄰。海拔高度為600 ～ 700 m，屬寒溫帶大陸性季風氣候，具有較復雜的山岳地形地貌特征。地理位置坐標為120°36′50.48″E ～ 120°52′56.53″E，50°21′11.08″N～50°24′32.00″N。植物資源以天然次生白樺林(Betulaplatyphylla)為主，混生樹種包括落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等，林下灌木層主要由石棒繡線菊(Spiraeamedia)、筐柳(Salixlinearistipularis)等組成。

1.2 機載全波形LiDAR數據

本研究機載全波形LiDAR數據采集時間為2012年8月26日，天氣狀況良好，采用的飛機型號為運5，相對飛行高度1 300 m，搭載的LiDAR掃描系統為Leica ALS60，采用的大地坐標系統為WGS84，投影坐標系統為UTM。Leica ALS60系統最高掃描頻率為200 kHz，最大視場角為75°。每個激光脈沖在地面上所形成的光斑直徑大約為0.2～0.3 m，全波形數據是由采樣器對接收望遠鏡收集后的返回脈沖進行數字化采樣處理形成，記錄了激光光斑內目標物對應的完整波形數據[13-14]。采集的全波形數據使用的文件類型為LAS1.3，以二進制格式存儲，記錄了接收的完整波形數據，包括采樣間隔和實時記錄的方位及波形特征信息等。在進行數據應用時，需將原始數據的二進制格式轉換為十進制數據格式，在轉換過程中需要借助一定的編程語言和方法來實現[15-16]。

2 格式解析與提取方法

2.1 Leica ALS60波形文件的格式解析

本研究Leica ALS60系統采集的LAS1.3格式全波形文件具有很好的嚴謹性和開放性，存儲全波形數據情況下包含4個分區，分別為公共頭塊區、變長記錄區、點記錄區和擴展變長記錄區。存儲全波形數據的LAS1.3格式的組成結構見表1。

表1 LAS1.3格式組成Tab.1 LAS1.3 format

其中所有數據都是小端字節序格式，即低位字節放在內存的低地址端，高位字節放在內存的高地址端。公共頭塊區是一個公共區，后面緊接著變長記錄區，公共頭塊區包含一些描述數據整體情況的記錄，比如點數據記錄個數、坐標邊界等。變長記錄區包含了一些變長類型數據，包括投影信息、元數據信息、波形數據包信息和用戶應用數據等，如果包含波形數據包的話，那么它一定位于所有點數據記錄的末尾，其被放置在該處是為了便于對它分離或實體化，且該記錄是一個擴展變長記錄。擴展變長記錄的存儲格式為無符號超長整型，允許存儲比變長記錄更多的信息。點數據記錄區存儲著點數據記錄的相關信息，以及全波形數據相關參數，此外擴展變長記錄區有且僅有一個，位于所有點數據記錄區之后。其中任何不需要或不用的字段都被賦為0值或空字符。解析出LAS1.3格式文件的數據結構與數據組織情況如圖1所示。

圖1 LAS1.3文件的數據結構與數據組織Fig.1 Data structure and data organization of LAS1.3 file

通過上述內容可知，Leica ALS60 LAS1.3格式全波形文件在存儲全波形數據的同時也存儲點數據。因此，判斷全波形數據和點數據各自的存儲位置對全波形數據的提取十分重要，其中與全波形數據提取相關的重要參數如下：

(1)公共頭塊區的“點數據格式ID”字段，其值用來判斷文件中是否包含全波形數據；“波形數據包記錄起始位置”字段，其值表示從文件起始處到擴展變長記錄文件頭的字節數。

(2)變長記錄區的“用戶ID”和“記錄ID”字段。若讀取的“用戶ID”為“LASF_Spec”同時“記錄ID”值在[100，356]區間時，則該變長記錄里包含有波形包描述器，它存儲著關鍵的波形數字化信息，如波形采樣位數、波形壓縮類型、采樣數、采樣時間間隔、數字化增益值和數字化偏移值等信息。

(3)點數據記錄區的“波形包描述器索引”，“波形數據偏移量”和“波形數據包大小”字段。由于LAS1.3文件格式能夠支持255個波形包描述器，則某一點數據對應的波形包描述器是由波形包描述器索引值確定的，它指向著描述該點數據波形信息的具體用戶定義記錄，且其值為0時表示該點數據沒有對應的波形數據。同時LAS1.3格式文件中的波形數據包存儲在擴展變長記錄里，若文件中存儲有波形數據包，那么它在文件中的絕對起始位置為波形數據包記錄起始位置值與波形數據偏移量值的和。其中，波形數據偏移量表示擴展變長記錄里波形數據包相對于擴展變長記錄文件頭起始位置的字節數。

2.2 波形數據快速提取方法

通過Leica ALS60 LAS1.3全波形文件的格式解析，并根據計算機系統的訪問內存速度比訪問硬盤速度快很多的原理，在讀取全波形數據時如果較多訪問內存而較少訪問硬盤，那么讀取速度將會快速提升?；谶@種思路，本研究借助IDL編程語言使用內存映射文件方法[17-18]實現研究區Leica ALS60 LAS1.3全波形數據的快速提取。內存映射文件方法在操作系統中保留一個地址空間區域，并將物理存儲器添加到該區域，該物理存儲器是指硬盤上的某個文件，文件一旦被映射就可以直接訪問到它并進行文件的讀取。本研究使用內存映射文件方法讀取LAS1.3全波形文件的操作步驟為：

(1)創建一個文件內核對象，用以標識映射到內存的全波形文件。

(2)創建一個文件映射內核對象，用以通知操作系統該文件的大小以及該文件的訪問方式。

(3)將文件映射對象全部映射到進程地址空間中，此時整個文件被映射成一個視圖，映射函數會返回指向該文件視圖在進程地址空間中的起始地址指針。

(4)進行全波形數據讀取流程圖(圖2)的所有操作，其中，將流程中所有的讀取操作替換為獲取映射文件位置指針的Point_Lun函數操作，主要為：

①讀取公共頭塊，獲取“點數據包記錄格式ID”、“波形數據包記錄起始位置”字段值等參數，用于判斷文件中是否存儲全波形數據。

②根據公共頭塊的“變長記錄個數”字段逐條讀取變長記錄，并判斷各變長記錄頭里的“用戶ID”和“記錄ID”字段，如果“用戶ID”為“LASF_Spec”且“記錄ID”的值在[100，356]區間內，則該變長記錄的記錄區內包含波形包描述器，根據波形包描述器讀取該波形采樣個數、采樣時間間隔等信息；如果這兩字段為其他內容，則跳過該變長記錄的記錄區，繼續讀取下一個變長記錄并進行相同的操作，直到大于變成記錄個數時結束；

③之后根據公共頭塊的點數據記錄格式ID為4或5時，結合“點數據記錄個數”字段逐條循環讀取點數據記錄及對應的波形數據，如果點數據記錄里的“波形包描述器索引”字段值為0，則該點數據記錄沒有對應的波形數據，直接讀取下一條點數據記錄；如果此字段值在[1，255]區間內，則該點數據記錄包含對應的波形數據，接著讀取之后的“波形數據偏移量”，“波形數據包大小”，及“X(t)，Y(t)，Z(t)”等字段值，為后續的波形數據包讀取及波形分析處理提供信息。

④讀取波形數據包，將指針由文件起始位置偏移到其絕對起始位置處，結合波形數據包大小讀取波形數據，波形數據包在文件中的絕對起始位置為波形數據包記錄起始位置值與波形數據偏移量值的和。

⑤讀取全波形數據振幅值，根據波形包描述器索引值以及波形采樣個數、采樣間隔等信息，讀取對應的原始波形振幅值。繼續讀取下一個點數據記錄并進行前三步操作，直到大于點數據記錄個數時結束，從而完成全波形數據的快速讀取。

使用完內存映射文件方法后，接下來就是清除它的步驟。

(5)從進程的地址空間撤消文件映射內核對象的映射。

(6)關閉文件映射內核對象。

(7)關閉文件內核對象。

圖2 全波形數據讀取流程圖Fig.2 Flow chart of reading full-waveform data

原始全波形文件以二進制形式提供，不被一般軟件識別和應用，在實際編碼中，首先把原始二進制文件映射到進程地址空間中，然后把文件復制到事先定義的數組變量內存空間中，最后在內存中生成ASCII文件，并把ASCII文件以十進制的形式輸出以便于顯示，為后續全波形數據的分析和處理奠定基礎。

3 結果分析

本研究按照上述內容和方法借助IDL8.3平臺實現了研究區采集的機載全波形LiDAR數據的讀取，并以點云和波形的方式顯示出來，結果見表2和圖3(某一條波形數據)。表2中的X0，Y0，Z0表示波形數據起始點(起始點時間為0，單位為皮秒)的三維大地坐標，X(t0)，Y(t0)，Z(t0)表示波形數據起始點的坐標參量信息，它們是后續全波形數據波形點云化的重要解算參數。此外，不僅順利讀取了全波形數據，同時還獲取了與全波形數據和點云數據相關的參數，如采樣的起始時間、結束時間、采樣個數和采樣間隔等，這些數據能夠為后續的波形分解和分析利用提供基礎參數信息。

表2 激光雷達點云數據信息Tab.2 LIDAR point cloud data information

圖3 本實例程序顯示的波形Fig.3 The waveform of this example program

通過圖3讀取結果可知波形采樣數為128，采樣間隔為1ns，以及對應的原始波形振幅值，相較于傳統離散回波LiDAR，全波形LiDAR存儲整個返回波形，每一個波形分量對應著不同的目標物垂直結構，是后續波形處理和應用的關鍵。通過對原始采用內存映射文件方法來訪問硬盤上的數據文件，可以不必對文件執行I/O操作，也可不必對文件內容進行緩存，因而該方法用于二進制大文件數據的讀取，效率很高。至此，機載全波形LiDAR數據格式解析和快速提取流程結束，以便全波形數據的后續處理和應用。

4 結論與討論

機載全波形LiDAR系統不僅能記錄目標物的三維坐標信息，還能存儲整個返回波形，從而可以按照相應研究領域對全波形數據進行處理和使用。LAS1.3格式作為LiDAR數據的標準格式也逐漸發展成熟，其結構嚴謹，便于擴展。

由于讀取全波形數據文件需要專業軟件，本研究以采集的LAS1.3全波形文件為研究數據，在其格式解析的基礎上，以IDL8.3作為開發平臺，應用內存映射文件方法實現了文件中的全波形數據的快速讀取和可視化顯示，為后續的波形分解與應用奠定基礎。由于受到全波形數據本身條件等原因的限制，本研究沒有對讀取出的波形特征信息和能量信息進行詳細的討論，將在后續的工作中進行研究和分析處理。

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Research on LAS Format Parsing and Fast Extraction ofAirborne Full-waveform LiDAR Data

Yao Songtao，Xing Yanqiu*，Li Mengying，Yan Can

(Center for Forest Operation and Environment，Northeast Forestry University，Harbin，Heilongjiang，150040，China；)

Full-waveform extraction airborne light detection and ranging (LiDAR) priority data is processed and its subsequent analysis，in order to quickly extract airborne LiDAR full-waveform data file，LAS1.3 paper study area acquired Leica ALS60 recording laser radar system full waveform data file format research data to IDL8.3 programming development platform，based on the full-wave file format parsing LAS1.3 analyzed on-board data structure and organize the full waveform LiDAR data file，determines the full waveform File records in the full waveform data and point data storage location，and then apply the memory mapping file method，mapping the full waveform file data in memory mapping logo，and then get the file mapping kernel object，followed by Leica ALS60 LAS1.3 the main field of document parameters with the waveform data of full waveform file extraction process sequence，study results show that the method is suitable for large full waveform LAS1.3 binary file data reading and high efficiency，rapid completion of its full-wave waveform data file extraction and visual display，the waveform decomposition and lay-yl application work full waveform data.

AirborneLiDAR；Full-waveform data；Formatparsing；Fast extraction

2017-04-19

林業公益性行業科研專項(201504319)；國家重點基礎研究發展計劃項目(2013CB733404)

姚松濤，碩士研究生。研究方向：機載全波形激光雷達。

*通信作者：邢艷秋，博士，教授。研究方向：森工管理與林業信息工程。E-mail：yanqiuxing@nefu.edu.cn

姚松濤，邢艷秋，李夢穎，等.機載全波形LiDAR數據LAS格式解析和快速提取研究[J].森林工程，2017，33(4)：64-68.

S 771.8

A

1001-005X(2017)04-0064-05