激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的技術(shù)流程和點(diǎn)云預(yù)處理的方法

發(fā)布日期：2019-01-03 00:00 瀏覽量：22680

機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）是一種新型主動(dòng)式航空傳感器，通過(guò)集成定姿定位系統(tǒng)（POS）和激光測(cè)距儀，能夠直接獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在高精度三維地形數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型(DEM)）的快速、準(zhǔn)確提取方面，具有傳統(tǒng)手段不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。尤其對(duì)于一些測(cè)圖困難區(qū)的高精度DEM數(shù)據(jù)的獲取，如植被覆蓋區(qū)、海岸帶、島礁地區(qū)、沙漠地區(qū)等，LiDAR的技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。本文主要介紹激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的技術(shù)流程以及點(diǎn)云預(yù)處理的方法。

一、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的技術(shù)流程

航攝獲取的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)需進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云粗分類(lèi)、點(diǎn)云人工分類(lèi)和采集約束線(xiàn)。激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程如圖1所示。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程.png

三、激光雷達(dá)點(diǎn)云處理

1、點(diǎn)云預(yù)處理

通過(guò)航攝完成的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以航線(xiàn)為單元提供的，一方面數(shù)據(jù)量大，另一方面航線(xiàn)間存在重疊。為便于后期作業(yè)，需要按作業(yè)單元進(jìn)行相關(guān)的鑲嵌和裁切工作，形成管理和作業(yè)的數(shù)據(jù)處理單元。

1)鑲嵌線(xiàn)的確定

在鑲嵌線(xiàn)繪制過(guò)程中，重點(diǎn)考慮以下要求:

(1)航線(xiàn)接邊差應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;

(2)鑲嵌線(xiàn)應(yīng)盡量選擇在重疊處的中央;

(3)因激光掃描日期引起航線(xiàn)間地物存在明顯差異時(shí)，鑲嵌線(xiàn)應(yīng)盡量沿溝渠、行樹(shù)、鄉(xiāng)村路等帶狀覆蓋的中心區(qū)域繪制，平原區(qū)域作物生長(zhǎng)差異明顯時(shí)尤其要避免在大面積平坦耕地中穿過(guò)。

2)噪聲濾除

采用機(jī)載激光雷達(dá)掃描法獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在測(cè)量過(guò)程中不可避免地混有不合理的噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)的產(chǎn)生主要是由儀器的系統(tǒng)誤差和被測(cè)對(duì)象的物理特性引起的。噪聲點(diǎn)分為高于或低于地面的、孤立的、不成群的噪聲點(diǎn)和與真實(shí)地表高差較小的、與地面點(diǎn)混合在一起的噪聲點(diǎn)。

2、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)

利用點(diǎn)云處理軟件提供的點(diǎn)云分類(lèi)工具，采用人機(jī)交互的方式，對(duì)機(jī)載激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行半自動(dòng)化分類(lèi)，為后期的人工分類(lèi)和編輯提供初分類(lèi)后的階段點(diǎn)云分類(lèi)成果。

非地面點(diǎn)云的主要反射體為構(gòu)筑物和植被，其濾波過(guò)程較為復(fù)雜，其濾波質(zhì)量對(duì)處理人員的業(yè)務(wù)能力要求較高，在進(jìn)行人機(jī)交互點(diǎn)云分類(lèi)處理時(shí)，應(yīng)遵循以下原則:

1)以分幅數(shù)據(jù)為作業(yè)單元，根據(jù)地表覆蓋類(lèi)型、點(diǎn)云掃描日期的差異等，適當(dāng)劃分交互處理單元，處理單元范圍線(xiàn)應(yīng)予以保存;

2)理解分類(lèi)工具的計(jì)算原理，能夠熟練、靈活、綜合地利用相關(guān)分類(lèi)工具;

3)測(cè)試調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置，確保達(dá)到最優(yōu)分類(lèi)效果，減少后期人工分類(lèi)工作量，由于設(shè)備、地形、季節(jié)、氣候等多方面原因，無(wú)法確定固定參數(shù)，只能根據(jù)分類(lèi)后的情況確定具體參數(shù);

4)在利用數(shù)字正射影像DOM輔助作業(yè)時(shí)，應(yīng)分析其航攝日期與點(diǎn)云數(shù)據(jù)間的差異性。

（一）自動(dòng)分類(lèi)要求

人機(jī)交互點(diǎn)云分類(lèi)所實(shí)現(xiàn)的處理效果，在客觀上受地物覆蓋類(lèi)型的影響極大，應(yīng)能夠滿(mǎn)足以下要求:

1)喬木林地與其覆蓋的地面點(diǎn)應(yīng)充分識(shí)別并分類(lèi)，包括自然生長(zhǎng)的林地、果園、散樹(shù)、行道樹(shù)等;

2)灌木林地與其覆蓋的地面點(diǎn)應(yīng)盡可能予以識(shí)別并分類(lèi)，根據(jù)高山地、山地、丘陵地、平原4個(gè)地形類(lèi)別對(duì)高程精度的不同要求，適當(dāng)調(diào)整處理參數(shù)，尤其是平原、丘陵區(qū)域，高程精度要求較高，在處理過(guò)程中應(yīng)有所側(cè)重;

大田作物根據(jù)其作物種類(lèi)、生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)、種植密度，最大程度地實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)的分離，因客觀條件限制而不能實(shí)現(xiàn)有效分類(lèi)的，留待下道工序手工處理。

（二）人工分類(lèi)要求

①居民區(qū)

(1)將自動(dòng)分類(lèi)錯(cuò)歸為地表類(lèi)的建筑物表面點(diǎn)、地面上的雜物點(diǎn)、墻角或墻面點(diǎn)、露天設(shè)備、假山石、煤堆上的點(diǎn)(被吸收比較少)及草堆、柴堆、垃圾箱、垃圾等臨時(shí)性堆積物上的點(diǎn)都分到非地面點(diǎn);

(2)房屋下的房基形狀完整，在能滿(mǎn)足精度要求的前提下，比較美觀地保留和取舍點(diǎn)，形狀不完整的在確定地形的形狀或位置時(shí)可降點(diǎn)保持地基完整保留，很小的、單獨(dú)的一個(gè)地基刪掉，地基以上的點(diǎn)全部分到非地面點(diǎn);

(3)房區(qū)中所有道路點(diǎn)都要保留，連接地面與建筑物的階梯路，如大禮堂、劇院、單位門(mén)前的臺(tái)階均分到非地面點(diǎn);

(4)房區(qū)里的圍墻、樹(shù)木、草堆、雜物、大型的人為堆出來(lái)的臨時(shí)性土堆分到非地面點(diǎn)。

②水系及設(shè)施

(1)大面積水草的處理，具有一定高度的或漂浮在水

面上的比較密集的水草，能根據(jù)周?chē)匦闻袛喑鼍哂幸欢ǜ卟畹?，放在水域?qū)?/span>;

(2)干涸的水域點(diǎn)均分到地面點(diǎn)層，干溝、溢洪道、干

涸的地面支渠分到地面點(diǎn)層;

(3)主要堤、攔水壩、一般堤、防波堤分到地面點(diǎn);

(4)水面上的噪聲點(diǎn)、漂浮物以及植被等產(chǎn)生的點(diǎn)云均分到水域?qū)印?/span>

③道路及設(shè)施

(1)高速公路、各級(jí)公路的隔離帶分到非地面點(diǎn);

(2)車(chē)行橋、立交橋、下跨道等與陸地相交處要拉斷面仔細(xì)分出橋面、下跨道與地面的相交部位，架空部分的點(diǎn)分到架空路面類(lèi);

(3)過(guò)街天橋、人行橋與地面相連的部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)分到地面點(diǎn)類(lèi)，架空部分的點(diǎn)分到架空路面類(lèi);

(4)道路上的汽車(chē)、行人等非地面點(diǎn)云分到噪聲層。

三、地面約束要素

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)表示地面模型，受飛行時(shí)間、點(diǎn)云間距、遮蔽、特殊反射等條件的限制以及客觀世界復(fù)雜性的影響，部分地形特征需要使用二、三維矢量數(shù)據(jù)作為地形表面約束要素，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充約束，才能合理表示出地面模型。

地形地面約束要素，是以矢量數(shù)據(jù)的形式來(lái)補(bǔ)充點(diǎn)云數(shù)據(jù)的漏洞或?qū)Φ匦巫兓庍M(jìn)行約束，地形表面約束要素包括點(diǎn)、線(xiàn)、面3類(lèi)矢量形式，起到補(bǔ)充、替換、強(qiáng)制變化等作用。

約束要素基本要求如下:

（一）出現(xiàn)下列情況時(shí)，應(yīng)通過(guò)表面約束要素對(duì)激光點(diǎn)云局部缺陷區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充約束。

(1)在激光點(diǎn)云受到激光掃描角度的影響，造成山體模型局部失真的情況下，應(yīng)利用已有成果作為補(bǔ)充彌補(bǔ)激光點(diǎn)云漏洞區(qū)域;

(2)公路、河渠、水庫(kù)等處因植被遮蔽造成有效地面點(diǎn)云明顯不足，與無(wú)植被遮蔽區(qū)域的同類(lèi)地面模型比較，視覺(jué)效果差異較大的帶狀區(qū)域，應(yīng)采集硬斷線(xiàn)或離散高程注記點(diǎn)對(duì)局部地面模型進(jìn)行細(xì)化處理。

（二）水體約束要素優(yōu)化處理湖泊、水庫(kù)、坑塘及雙線(xiàn)水等，應(yīng)采集約束線(xiàn)進(jìn)行水域置平或平差。制作DEM時(shí)，按照點(diǎn)云采集約束線(xiàn)，高程賦值應(yīng)為數(shù)據(jù)獲取時(shí)的瞬時(shí)水位高;制作等高線(xiàn)時(shí)，如果DLG數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性好，以DLG水域線(xiàn)作為特征面，如果點(diǎn)云的現(xiàn)勢(shì)性好，則按照點(diǎn)云采集。流動(dòng)的水體要注意整個(gè)測(cè)區(qū)的水域平差，確保等高線(xiàn)過(guò)水正確，避免等高線(xiàn)二次過(guò)水現(xiàn)象出現(xiàn)。

地形表面約束要素，在作業(yè)過(guò)程中基于點(diǎn)云、影像信息手工采集編輯后，存貯為Shape數(shù)據(jù)文件進(jìn)行提交。

四、點(diǎn)云分類(lèi)檢查

（一）目視檢查原則

(1)不同的地形類(lèi)別高程精度要求不同，對(duì)能夠滿(mǎn)足精度要求的區(qū)域不必再進(jìn)行過(guò)度的細(xì)節(jié)處理，對(duì)不能滿(mǎn)足精度的區(qū)域，則必須重點(diǎn)處理;

(2)平原地區(qū)應(yīng)對(duì)大田作物區(qū)、建筑區(qū)、溝渠道路兩側(cè)區(qū)域等進(jìn)行重點(diǎn)檢查;

(3)丘陵山地應(yīng)重點(diǎn)檢查灌木林區(qū);

(4)平原丘陵過(guò)渡地帶，人類(lèi)活動(dòng)多，地形變換容易失真，進(jìn)行重點(diǎn)檢查;

(5)對(duì)靜態(tài)、流動(dòng)水體進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

（二）檢查方法

(1)檢查數(shù)據(jù)是否完整;

(2)疊加彩色正射影像，判斷點(diǎn)云覆蓋物類(lèi)型;

(3)按點(diǎn)云類(lèi)別賦予相應(yīng)顏色值目視進(jìn)行檢查;

(4)按點(diǎn)云類(lèi)別和高度賦予相應(yīng)顏色值目視進(jìn)行檢查;

(5)注意大面積沒(méi)有分類(lèi)為地面的地方。

結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合某省中西部地區(qū)DEM的生產(chǎn)，探討了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度、工藝流程及激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理原則，探討了激光點(diǎn)云的鑲嵌線(xiàn)繪制過(guò)程中需考慮的問(wèn)題，分析了激光點(diǎn)云的自動(dòng)分類(lèi)和人工分類(lèi)的要求、約束要素的要求。利用激光點(diǎn)云制作數(shù)字高程模型DEM，能夠大大提高DEM的精度，減少人工繪制等高線(xiàn)的工作量，將有很好的利用前景。