利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)DEM的關(guān)鍵技術(shù)分析

1、 利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)dem的關(guān)鍵技術(shù)分析 摘要：機載lidar獲取點云數(shù)據(jù)具有快速、高效和高精度的特點，以此為基礎(chǔ)制作的dem數(shù)據(jù)具有表達(dá)地貌細(xì)微和精度高的特性。對此，文章重點就利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)dem的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析，以供參考和借鑒。關(guān)鍵字：機載lidar；點云數(shù)據(jù)；dem；關(guān)鍵技術(shù)引言機載激光雷達(dá)(light detection and ranging，lidar)是20世紀(jì)后期發(fā)展起來的一種全新的測量技術(shù)，是由激光測距技術(shù)、gps定位技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)集成的一個軟硬件系統(tǒng)，主要是為了獲取地面及地物要素的高精度三維點云數(shù)據(jù)。在測繪領(lǐng)域中，機載激光雷達(dá)大部分指的是用于地形測

2、繪的機載激光雷達(dá)系統(tǒng)。經(jīng)過幾十年軟硬件的發(fā)展，lidar技術(shù)不斷成熟，由于其具有快速、高效以及高精度的特點，采用lidar數(shù)據(jù)生產(chǎn)dem已經(jīng)逐漸替代傳統(tǒng)攝影測量方法，成為國內(nèi)外獲取dem的主要手段。1lidar數(shù)據(jù)獲取和處理某測區(qū)位于吉林省西北部，地形以低山和丘陵為主，測區(qū)地勢平緩，最高點海拔650m，最低點海拔130 m左右，地貌屬于平原地區(qū)，測區(qū)面積約為40000km2。1.1數(shù)據(jù)獲取lidar數(shù)據(jù)的獲取過程主要包括航線設(shè)計、數(shù)據(jù)采集及飛行評價等內(nèi)容，目的是要獲得測區(qū)的als70hp點云數(shù)據(jù)成果和als70hp航攝影像數(shù)據(jù)成果，在此流程中需要注意以下幾個問題：1.1.1氣象條件由于航攝作業(yè)

3、區(qū)域跨度大，測區(qū)單條航線東西布設(shè)，航飛時間不超過30min，跨度平均約為70km，存在氣象條件不一致的現(xiàn)象，而在云層厚度和面積達(dá)到一定程度后，激光設(shè)備會啟動保護(hù)措施停止工作，進(jìn)而影響正常的點云獲取，具體的處理方法是按時觀察氣象條件和檢查預(yù)處理航攝數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)航帶出現(xiàn)的問題，及時補充航攝，解決數(shù)據(jù)完整性問題。1.1.2航攝時間航攝計劃執(zhí)行過程中，攝區(qū)早上的天氣穩(wěn)定性較好，中午和下午空氣流的穩(wěn)定性下降。在其他條件不變的情況下，無論是脈沖激光還是連續(xù)波激光，其最大測距與反射率的平方根和激光功率的平方根成正比，因此要獲得較好的測距效果，大氣條件十分重要。干冷和透明的大氣條件下效果最好，污染較為嚴(yán)重的

4、區(qū)域在中午以后會出現(xiàn)激光反射率下降的現(xiàn)象，改進(jìn)的措施是在執(zhí)行城市區(qū)域航攝計劃時，應(yīng)多考慮早晨和上午的時間段。1.1.3航線設(shè)計航線根據(jù)技術(shù)設(shè)計要求設(shè)計，并滿足以下要求：第一，航線設(shè)計要充分考慮測區(qū)的走勢，邊界區(qū)域要滿足激光旁向重疊率大于航帶寬度的30%；第二，結(jié)合空域空閑時間和部隊飛行管制，考慮基站的架設(shè)位置，合理設(shè)計航線；第三，保證每條航線直線飛行時間一般不大于30min的要求。1.2數(shù)據(jù)處理對lidar數(shù)據(jù)的處理分為預(yù)處理和后期的分類處理，預(yù)處理過程主要包括對lidar航攝數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、差分、ipas數(shù)據(jù)解算、激光檢校、相機檢校、點云數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)精度檢測等處理，以獲得滿足點云數(shù)據(jù)后期處理

5、及產(chǎn)品制作要求的數(shù)據(jù)，該過程的成果精度是后期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)，要嚴(yán)格按照要求執(zhí)行。后期針對lidar數(shù)據(jù)的分類處理，由于過濾的自動處理得到的點云分類不夠理想，會有較多的人為干預(yù)，作業(yè)人員的作業(yè)經(jīng)驗和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將直接影響數(shù)據(jù)的精度，其中尤其要注意以下幾類需要人工處理：第一，復(fù)雜地物主要有超過檢測閾值的大地物；高差太小，貼近地面的地物；形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地物；第二，與地面相連的地物立交橋、高架橋、橋梁、架空輸水槽等架空于地面或水面之上的人工地物，一般只保留地面或水面上的點云數(shù)據(jù)，將懸空的點分為非地面點，由于兩端與地面一樣平，中部又有建筑的特征，所以處理難度較大，另外一種就是陡坡上的建筑物，或者是地基較高

6、的房屋，和地面區(qū)分起來較困難；第三，植被覆蓋低矮的植被較難被判讀，主要靠同期影像來指導(dǎo)生產(chǎn)；陡坡上的植被則不符合濾除假設(shè)，需要人工判讀。2利用機載激光點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)dem的關(guān)鍵技術(shù)2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理機載激光點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是將航飛過程中獲得的差分gps數(shù)據(jù)和imu數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算獲得定位定姿數(shù)據(jù)，然后利用聯(lián)合定位定向數(shù)據(jù)、原始點云信息及系統(tǒng)所提供的各類參數(shù)進(jìn)行解算，獲得每一個激光點的在wgs-84坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。根據(jù)項目成果需要，將lidar點云數(shù)據(jù)由wgs-84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地方坐標(biāo)系或cgcs2000坐標(biāo)系，所得結(jié)果為隨機分布的帶有高程、位置和強度信息激光點云。此外，由于機載lidar系統(tǒng)

7、獲得的海量點云數(shù)據(jù)中包含了大量的粗差和系統(tǒng)誤差，數(shù)據(jù)預(yù)處理中應(yīng)進(jìn)行粗差檢測和剔除處理，即剔除極高點和極低點。2.2激光點云濾波與分類機載lidar系統(tǒng)獲取的原始點云數(shù)據(jù)是離散的孤立點，其主要的數(shù)據(jù)值為回波信號點的三維空間坐標(biāo)及一些附帶的屬性信息，點與點之間不存在任何拓?fù)潢P(guān)系。機載激光點云濾波技術(shù)是指從離散的點云數(shù)據(jù)中區(qū)分出地面點和非地面點的過程，其基本原理是基于鄰近激光腳點間的高程突變，進(jìn)行濾波計算時需要設(shè)置一定的閾值，判斷激光腳點是否位于地形表面。利用機載激光點云數(shù)據(jù)制作dem時濾波與分類具體流程可概況為按照回波次數(shù)分類地面點分類水系分類。2.2.1按照激光回波次數(shù)分類由于機載激光具有穿透性

8、，導(dǎo)致在掃描過程中不同的地物有著不同的回波次數(shù)和強度信息，當(dāng)激光脈沖照射到建筑物頂部或裸露的地表時只產(chǎn)生一次回波，而激光脈沖照射到植被時，由于激光信號可以穿透植被從而形成多次回波，因此可對多次回波中的最后一次回波數(shù)據(jù)和僅一次回波的激光數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，從而濾除大量非地面點。2.2.2地面點自動分類通過反復(fù)建立地表三角網(wǎng)模型的方式分離出地表點，并反復(fù)加入新的激光點擴(kuò)展模型，確保每個加入的激光點使得模型更加貼近地表，從而最終得到一個近似的地表面。具體分類方法為：首先設(shè)定測區(qū)內(nèi)的最大房屋尺寸，選擇少許局部激光低點，確保該局部激光低點間的距離不小于最大房屋尺寸；其次基于上述低點構(gòu)建初始三角網(wǎng)，假定該三角網(wǎng)

9、的最高頂點貼合地面，并通過不斷迭代將該初始三角網(wǎng)上方的點加入以構(gòu)建新模型，得到一個近似的地表面。2.2.3人機交互分類自動分類后的數(shù)據(jù)可以獲得概略地形地貌，但存在一些錯分或誤分激光點云數(shù)據(jù)，同時一些小的地形不連續(xù)部分也會被平滑或去掉，因此需要通過人機交互方式分類。人機交互分類方法是指參照高分辨率影像，通過人工判斷的方式對自動分類的結(jié)果進(jìn)行修正或?qū)μ囟ǖ匚镱悇e進(jìn)行分類，可通過建立不規(guī)則三角網(wǎng)模型，對區(qū)域內(nèi)的整體點云進(jìn)行分類，剔除坑點或突出點，細(xì)部可再根據(jù)橫截面修正。由于建筑物規(guī)模和形態(tài)變化較為復(fù)雜，需以人機交互分類為主。水系一般無激光回波，但也存在渾濁水體稀疏回波現(xiàn)象，需要結(jié)合影像和周圍地形進(jìn)行判斷。2.3dem構(gòu)建與評價dem主要基于tin格網(wǎng)構(gòu)建，即對于濾波分類的地面點云數(shù)據(jù)，利用arcgis軟件創(chuàng)建tin，構(gòu)建約束三角網(wǎng)模型，并進(jìn)一步生成規(guī)則格網(wǎng)grid格式的dem數(shù)據(jù)。結(jié)束語綜上所述，本文主要介紹了利用lidar激光點云數(shù)據(jù)制作高精度dem的技術(shù)流程和方法，結(jié)果表明技術(shù)路線能夠滿足現(xiàn)階段城市大比例尺dem生產(chǎn)的需要。參考文獻(xiàn)：1鄭云梅,吳潔,張勝雷,王強,趙永鵬.基于多數(shù)據(jù)源的高精度城市地表高程提取研究j.中國建