基于3D Mapping軟件的LiDAR點云數據的等高線提取

杜金莉

（1.安徽省第一測繪院，安徽 合肥 230031）

1 LiDAR獲取的數字高程模型的特點

常規的數字高程模型（DEM）和等高線的獲取方法為航測法成圖，即航飛獲得航片，通過外業控制和內業加密后獲得立體像對，在立體像對上人工采集特征點線生成TIN 或DEM，后通過TIN 或DEM 生成等高線，修測后形成DEM 和等高線成果[1]。航測法成圖生成的DEM 和等高線精度高、等高線形態好，符合規范要求。但是因為立體采集特征點線、DEM 和等高線修測等工作量大，費時費力，生產效率不高。一般省級1∶10 000基礎地理信息數據地貌更新頻率都是3～5年更新一次，近年來為了快速成圖，我省采購了全省LiDAR 獲取的DEM，經過處理直換生成等高線、高程點等地貌數據。LiDAR 的點云數據經過處理后直換提取等高線與傳統的航測法成圖相比，具有生產成本低、速度快、自動化程度高、生產周期短、等高線精度高、形態逼真等特點[2]。

LiDAR 系統是利用機載激光雷達測距系統和 GNSS/IMU 直換獲取地面點的三維坐標形成離散的、不規則的三維點云數據[3-4]。LiDAR 獲取的點云數據密度大，雖然用其處理得出的DEM 點的相對精度較高，但獲取的地貌較為破碎，利用LiDAR 獲取的DEM 提取的等高線，地貌形態的細微處都表現出來，生成的等高線破碎，連續性完整性欠佳，等高線不美觀，需要進行濾波等一系列處理[5]，對不同地形類別生產等高線的參數設置及作業人員的經驗要求較高。本文利用定制的Geoway 3DMapping 軟件進行實驗，通過對DEM 進行濾波后生成等高線，成果在地貌形態，等高線精度等方面均符合規范要求。

2 3DMapping生成等高線流程

3DMapping 軟件只能利用bil 數據生成等高線，作業前需要將DEM 數據轉換成bil 格式，后生成參考等高線（供參考修測DEM）、DEM 濾波、提取等高線、修測等高線、更新高程點等流程，具體流程如圖1所示。

圖1 等高線提取流程圖

2.1 DEM 濾波方法及參數設置

DEM 濾波是等高線生成前的關鍵環節，濾波的質量直換影響到DEM 生成等高線的精度及美觀。不濾波生成的等高線比較破碎，地貌形態表示凌亂；濾波過度會對精度造成部分損失，要控制濾波次數及根據地形選擇濾波窗口尺寸[6]。如果濾波次數及窗口尺寸不合理會導致生成的等高線的效果不好，若濾波次數過多或濾波窗口尺寸過大會導致DEM 失真，精度不可靠。不同地形類別的DEM 提取出來的等高線在參數設置、濾波設置上差異較大，本文經過多次實驗，利用2×2 m間隔的DEM 提取等高線，按山地（包括高山地）和平地丘陵兩種地形類別分別設置參數提取，得出以下效果較為適中的參數和步驟。

2.1.1 山地（高山地）DEM 濾波

山地（高山地）用3DMapping 軟件生成的等高線較為圓滑，等高線形態好，濾波時將全圖光滑窗口給5×5 濾波3 次。后對沖溝里等高線破碎地區再用光滑窗口5×5 進行濾波1 ～3 次，濾波次數需根據經驗，標準為保證精度且等高線不破碎，手工修測工作量小為上。這里需要注意的是山頭特別是尖山頭不能反復濾波，重復濾波多次會造成山頂高程精度損失，故二次濾波時需要避開尖山頭。

2.1.2 平地、丘陵DEM 濾波

平地、丘陵地因為地形較為破碎，所以既要通過重復濾波減少微型地貌的破碎表達，又要控制光滑窗口和濾波次數，保證高程精度。經過實驗得出下列參數：先將光滑窗口設定為3×3 全圖濾波2 次，后對平坦地區、山坡等地局部再次進行濾波，再次濾波時將丘陵地光滑窗口設定為7×7，北方平坦地區光滑窗口設定為9×9，濾波2 ～3 次。高速公路、大堤等突出的狹長地物多次濾波容易造成變形等精度損失，故再次濾波時應該避開上述區域。這里需要注意的是：光滑窗口越大，精度損失越大，高程精度越低。高速公路、主要堤等突出的狹長地物如果需要用等高線表示，則只能濾波一次，且光滑窗口最好不能大于5×5，再次濾波選擇范圍時需要避開以上區域，以免造成等高線變形、偏移、與地物不套合等狀況。

2.2 加入水系數據處理DEM

根據水塘、水庫、常年湖水面DEM 等高的原理，一般等高線不穿越靜止的水面，此步驟主要是從已有的DLG 數據中提取水系相關數據，根據提取的DLG水系范圍，計算水系面內DEM 的平均高程，將水面范圍內的DEM 高程置平，這樣生成的等高線就避免了來回穿越水面[7]。方法是從已成圖的DLG 數據庫中提取靜止的水面：水塘2301023、水庫2401023、常年湖2301013 等，后點擊“處理DEM”將水面內的DEM 置平（注意，此步操作不能把溢洪道、河流、水渠等有上下游流向非等高的面添加進去）。

根據河流、溝渠等有流向非等高的水系其高程值依據上下游的高程由高到低遞減，水系兩岸高程值基本等高的原理，從已成圖DLG 數據庫中提取溝渠2202013、常年河2101013 等有流向非靜止的水系數據，該水系高程不需要置平，而是將水系兩岸的橫向高程取平均值。

2.3 提取及修測等高線

DEM 處理完成之后就可生成等高線，此步驟需要將DEM 設為激活圖層，等高線生成后需要局部修測，將不夠上圖尺寸的極小范圍的自封等高線刪除，修測部分落水等高線，將破碎等高線適當綜合等。等高線修測需要人工完成，山地等高線基本不需要修測，工作量較小；平地、丘陵地區因為地形破碎，人工地物較多，等高線修測相對繁瑣。

2.4 更新高程點

一萬基礎地理信息數據的高程點根據規范要求，高程點需按品字形分布，一般每個格網需要拾取10～15 個高程點。高程點應優先選取特征點位上的高程，例如：鐵路、橋面、主要道路交叉口；水塔、煙囪等獨立地物根部；堤岸、防洪墻、山頂、山腳、鞍部等部位；鐵路、公路上每個格網拾取一個高程點[8]。通過人工拾取的工作量較大，如果通過軟件自動拾取，雖然能保證高程點的形態分布及密度，但很難保證上述特征點位上都能生成高程點。此步驟的原理是利用上一輪生產合格的DLG 數據，提取老高程點的位置，從新的濾波后的DEM 上讀取高程值。即利用上一輪地形圖的高程點點位，提取本次DEM 數據上的高程值作為高程點，滿足了高程點的點位要求，利用本次新修測的DEM 也符合高程點的精度要求。

高程生成后，檢查高曲矛盾及高程點點位配置，高程點缺失或新增特征點位的地方可以從DEM 上重新拾取高程。補充采集的高程點輸出在“點圖層”里，需把它拷貝到TERP 層的720100 里。

3 存在的問題及解決方法

1）此軟件點線矛盾數據檢查功能不完善，很多錯誤有漏檢現象，檢查出來的錯誤有很多偽錯誤，導致質量得不到保證，增加作業中的工作量，鑒于Geoway3.6或4.0 有強大的數據編輯處理檢查功能，建議可以將數據導入到Geoway3.6 或4.0 里重新檢查修改，或利用其他專業的質檢軟件檢查修改，可以大大提高工作效率。

2）軟件有化簡和光滑等高線功能，但化簡、光滑等高線功能不完善，光滑等高線后數據量增大很多，導致后期等高線修測編輯時速度 很慢，化簡等高線也沒有起到應有的效果。根據實際操作實驗，建議不做化簡和光滑等高線，這樣等高線美觀度和數據量相對較好。

3）丘陵地形破碎處，生成的等高線破碎，形態不完整，提取等高線的軟件大都存在類似問題，經過實驗，可以通過上述參數設置的優化改善此類問題。另結合部分人工修測，作業人員積累一定的作圖經驗和技巧，可以提高速度。

4）在該軟件下直換修測等高線可能會遺漏部分需要處理與地物關系的等高線，作業時可以套合DOM或部分數字線劃圖（道路、橋梁、大堤、河流等）進行，也可以在導出數據之后將等高線導入到ArcGIS 或Geoway 建庫時邊作業邊檢查處理。

4 結 語

本文在Geoway 3D Mapping 軟件的基礎上，研究總結了LiDAR 點云數據進提取等高線的方法、最優參數設置和步驟，實驗結果顯示，通過對不同地形類別的等高線進行不同的參數設置、優化作業流程，提取等高線精度高，形態美觀，滿足規范要求。提取方法簡單易學，操作便捷，生產效率高，適合大面積快速成圖。