基于LiDAR數(shù)據(jù)的DSM和DEM制作研究

楊杰

摘? 要：激光掃描雷達(dá)（LiDAR）作為一種高效的地形數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，可快速獲取大面積、高精度的三維坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)。該文設(shè)計了利用LiDAR系統(tǒng)快速生成DOM的技術(shù)方法，通過對LiDAR獲取的激光點云進(jìn)行濾波和分類處理，并利用其生成的DEM，結(jié)合光學(xué)影像數(shù)據(jù)，快速生成數(shù)字正射影像產(chǎn)品。試驗表明，采用LiDAR數(shù)據(jù)和數(shù)字影像相結(jié)合的方式生成正射影像圖自動化程度高、生產(chǎn)周期短，能夠滿足快速正射影像圖制作的要求。

關(guān)鍵詞：LiDAR? POS? 光學(xué)影像? DEM? DOM

中圖分類號：P225 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）08（a）-0006-02

傳統(tǒng)方式開展大比例尺正射影像圖制作的過程主要包括航空攝影、像片控制點測量、空中三角測量、DEM采集和數(shù)字正射影像制作及鑲嵌。在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中，像片控制點測量和DEM采集耗時量較大、作業(yè)成本較高，作業(yè)周期長，已不能適應(yīng)高精度、高效率和低成本的成圖需要[1]，機(jī)載激光雷達(dá)（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光測距技術(shù)、位置和姿態(tài)測量技術(shù)、數(shù)字航測技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)[2]。作為一種主動式對地觀測系統(tǒng)，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在直接快速地獲取地球表面的三維空間信息的同時，還能獲取地物影像信息。快速獲取感興趣區(qū)域的正射影像圖，對城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[3]。LiDAR系統(tǒng)集激光掃描儀、POS系統(tǒng)、光學(xué)成像系統(tǒng)于一體，為快速正射影像圖生產(chǎn)提供了快捷、高效的生產(chǎn)模式。

1? 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

LiDAR系統(tǒng)一般由激光掃描測距儀、位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）、光學(xué)相機(jī)、控制與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件等部分組成。

1.1 激光掃描儀

激光掃描系統(tǒng)通常以直升機(jī)或固定翼飛機(jī)為飛行平臺，通過激光掃描儀與POS系統(tǒng)對地面進(jìn)行高精度、實時量測。主要利用激光光束俯視地面，在20°～40°的視場角范圍內(nèi)，沿左右方向?qū)Φ孛孢M(jìn)行來回掃描，并通過反射鏡接收被目標(biāo)回波信號，獲取測量數(shù)據(jù)。

1.2 位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）

為了確保所獲取數(shù)據(jù)的精度以及穩(wěn)定掃描中心垂線，機(jī)載激光掃描系統(tǒng)配備有位置與姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）。原始POS數(shù)據(jù)中提取出GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和輔助傳感器數(shù)據(jù)，然后和地面GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分?jǐn)M合得到曝光瞬間傳感器中心精確的GNSS定位坐標(biāo)，最后對IMU數(shù)據(jù)、輔助傳感器數(shù)據(jù)和精確的GNSS定位數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲取飛行位置和姿態(tài)參數(shù)（包括經(jīng)度、緯度、高度、俯仰角、側(cè)滾角、航向角）。

1.3 光學(xué)相機(jī)

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)采用的相機(jī)通常為經(jīng)過標(biāo)定的中小像幅CCD相機(jī)，所獲取的信息主要用于記錄地物的影像信息，也可用于輔助目標(biāo)分類。

1.4 控制與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備

控制及數(shù)據(jù)記錄設(shè)備主要是協(xié)調(diào)各傳感器的運行、記錄回波數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)、掃描時間等相關(guān)信息，用于后續(xù)處理。

1.5 數(shù)據(jù)處理軟件

數(shù)據(jù)處理軟件包括POS數(shù)據(jù)后處理、計算激光采樣點的坐標(biāo)、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)的特征提取以及融合等。

2? 正射影像的制作流程

攝影測量直接獲取的地面影像，由于傳感器姿態(tài)變化及地形起伏等原因，存在地物位置偏差及地物變形的問題。正射糾正是解決這一問題的有效途徑，可以有效地改正由于傳感器鏡頭畸變、地形起伏引起的位置偏差，生成具有地圖幾何精度和影像特征的圖像，即數(shù)字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）。對于遙感圖像解譯、信息提取等具有重要意義。

采用LiDAR數(shù)據(jù)快速獲取測區(qū)DEM，從而取代了通過光學(xué)影像空三加密、半自動采集的DEM獲取方式，優(yōu)化提高了生產(chǎn)效率。圖1為正射影像制作流程。

3? 試驗過程

3.1 試驗數(shù)據(jù)獲取

該試驗數(shù)據(jù)位于福建漳州沿海，獲取數(shù)據(jù)時間為2014年8月，使用設(shè)備為leica蝙蝠II雙色激光雷達(dá)，用于獲取測區(qū)的水陸地數(shù)據(jù)形獲取，測繪面積50km2，獲取成果數(shù)據(jù)包括激光點云數(shù)據(jù)和可見光+紅外多光譜影像，激光點云精度為陸地優(yōu)于5cm、水下優(yōu)于15cm，影像分辨率優(yōu)于10cm。圖2為Lidar點云數(shù)據(jù)。

3.2 試驗軟件

試驗中主要使用的軟件系統(tǒng)為Leica公司的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)Leica Photogrammetry Suite（LPS）和Leica LIDAR Survey Studio（LLS）的激光掃描處理軟件。LPS用于面陣影像的空三加密，DEM提取、DOM生成。LPS軟件是一套商業(yè)化數(shù)據(jù)處理軟件。將LiDAR系統(tǒng)自帶的光學(xué)影像經(jīng)過定向、空三加密、密集同名點匹配;LSS軟件主要是對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波操作，濾除建筑、樹木等地面附屬物，提取地面點生成DEM，以此為依據(jù)制作DOM，如圖3所示。

3.3 試驗主要過程

（1）空中三角測量。

空中三角測量主要是在LPS中建立影像工程文件，加入相機(jī)檢校參數(shù)、投影信息、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)等，向LPS工程文件中加載影像，導(dǎo)入由POS獲取的外方位元素初始值，然后利用LPS的點量測工具，進(jìn)行同名點全自動匹配，并確定同名點精度可靠，最后，利用地面控制點、檢查點（控制點及檢查點可從LiDAR點云數(shù)據(jù)提取）、同名點等數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，得到空中三角測量結(jié)果。

（2）點云數(shù)據(jù)處理。

LiDAR系統(tǒng)獲得的原始地形數(shù)據(jù)不僅包括地面點，而且包括地面上的所有地物，如建筑物、植被、水、道路等。因此需要將LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。LiDAR軟件根據(jù)脈沖點的高程值分成多個高差段并賦予不同顏色值渲染成三角網(wǎng)，由此生成的LiDAR影像具有非常明顯的彩色三維立體效果。在LLS中將點云數(shù)據(jù)分類，剔除掉明顯的噪聲，將離散的LiDAR數(shù)據(jù)點分成地面點和非地面點。

（3）DEM生成。

地面高程數(shù)據(jù)DEM僅需要地表裸露點，由完整地塊的地表裸露點三維數(shù)據(jù)構(gòu)成地面高程模型DEM。經(jīng)過點云分類處理剔除非地表點并歸類后，所有剩下的LiDAR數(shù)據(jù)都是地面點數(shù)據(jù)，即可生成高精度的DEM。

（4）DOM制作。

在LPS下進(jìn)行正射操作，首先創(chuàng)建工程文件，工程文件包含了試驗區(qū)域內(nèi)的圖像、相機(jī)參數(shù)、地面控制點以及其他相關(guān)信息。由于所采用的數(shù)據(jù)是CCD影像， 所以這里需要設(shè)置相機(jī)模型為digital camera，然后設(shè)置工程文件的地圖投影參數(shù)和相機(jī)模型參數(shù)，設(shè)置DEM的來源為由LiDAR數(shù)據(jù)生成的DEM文件， 然后加入影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行糾正。

在進(jìn)行鑲嵌和裁切時應(yīng)注意：在進(jìn)行裁剪時拼接線應(yīng)盡量繞開居民區(qū)。由于影像獲取時姿態(tài)不同，像對之間房屋陰影的方向、大小不同，此時拼接線較明顯。鑲嵌成圖時，盡量沿線狀地物變換處畫鑲嵌線，避免穿越房屋、地塊、變形地物等;最后，還應(yīng)注意影像間的重疊關(guān)系。

4? 結(jié)語

該文通過原始LiDAR點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理獲取數(shù)字表面模型（DSM），經(jīng)過濾波分類，生成DEM產(chǎn)品，最后結(jié)合面陣影像數(shù)據(jù)生成正射影像圖。通過試驗進(jìn)行了有益的嘗試，該方法可實現(xiàn)無地面控制點的快速、高精度正射影像圖制作，大大縮短了生產(chǎn)周期，加快了數(shù)據(jù)的獲取與處理速度，對于應(yīng)急測繪保障具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅月波.基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的數(shù)字正射影像制作與研究[J].測繪通報，2012（10）：55-57.

[2] 萬霞，酈淑俊，王朝暉.一種快速的正射影像制作方法[J].現(xiàn)代測繪，2006（3）：34-35.

[3] 陳強(qiáng)，丁曉利，劉國祥.PS-DInSAR公共主影像的優(yōu)化選取[J].測繪學(xué)報，2007（4）：395-399.