激光雷達點云數(shù)據(jù)的技術流程和點云預處理的方法

發(fā)布日期：2019-01-03 00:00 瀏覽量：22950

機載激光雷達（LiDAR）是一種新型主動式航空傳感器，通過集成定姿定位系統(tǒng)（POS）和激光測距儀，能夠直接獲取高精度點云數(shù)據(jù)，激光雷達測繪技術正廣泛應用于各個領域，在高精度三維地形數(shù)據(jù)（數(shù)字高程模型(DEM)）的快速、準確提取方面，具有傳統(tǒng)手段不可替代的獨特優(yōu)勢。尤其對于一些測圖困難區(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的技術優(yōu)勢更為明顯。本文主要介紹激光雷達點云數(shù)據(jù)的技術流程以及點云預處理的方法。

一、激光點云數(shù)據(jù)處理的技術流程

航攝獲取的激光雷達點云數(shù)據(jù)需進行點云預處理、點云粗分類、點云人工分類和采集約束線。激光點云數(shù)據(jù)處理技術流程如圖1所示。

激光點云數(shù)據(jù)處理技術流程.png

三、激光雷達點云處理

1、點云預處理

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

1)鑲嵌線的確定

在鑲嵌線繪制過程中，重點考慮以下要求:

(1)航線接邊差應滿足設計要求;

(2)鑲嵌線應盡量選擇在重疊處的中央;

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

2)噪聲濾除

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

2、激光點云數(shù)據(jù)分類

利用點云處理軟件提供的點云分類工具，采用人機交互的方式，對機載激光點云數(shù)據(jù)進行半自動化分類，為后期的人工分類和編輯提供初分類后的階段點云分類成果。

非地面點云的主要反射體為構筑物和植被，其濾波過程較為復雜，其濾波質量對處理人員的業(yè)務能力要求較高，在進行人機交互點云分類處理時，應遵循以下原則:

1)以分幅數(shù)據(jù)為作業(yè)單元，根據(jù)地表覆蓋類型、點云掃描日期的差異等，適當劃分交互處理單元，處理單元范圍線應予以保存;

2)理解分類工具的計算原理，能夠熟練、靈活、綜合地利用相關分類工具;

3)測試調(diào)整相關參數(shù)設置，確保達到最優(yōu)分類效果，減少后期人工分類工作量，由于設備、地形、季節(jié)、氣候等多方面原因，無法確定固定參數(shù)，只能根據(jù)分類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，應分析其航攝日期與點云數(shù)據(jù)間的差異性。

（一）自動分類要求

人機交互點云分類所實現(xiàn)的處理效果，在客觀上受地物覆蓋類型的影響極大，應能夠滿足以下要求:

1)喬木林地與其覆蓋的地面點應充分識別并分類，包括自然生長的林地、果園、散樹、行道樹等;

2)灌木林地與其覆蓋的地面點應盡可能予以識別并分類，根據(jù)高山地、山地、丘陵地、平原4個地形類別對高程精度的不同要求，適當調(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，在處理過程中應有所側重;

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

（二）人工分類要求

①居民區(qū)

(1)將自動分類錯歸為地表類的建筑物表面點、地面上的雜物點、墻角或墻面點、露天設備、假山石、煤堆上的點(被吸收比較少)及草堆、柴堆、垃圾箱、垃圾等臨時性堆積物上的點都分到非地面點;

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

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

(4)房區(qū)里的圍墻、樹木、草堆、雜物、大型的人為堆出來的臨時性土堆分到非地面點。

②水系及設施

(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)周圍地形判斷出具有一定高差的，放在水域層;

(2)干涸的水域點均分到地面點層，干溝、溢洪道、干

涸的地面支渠分到地面點層;

(3)主要堤、攔水壩、一般堤、防波堤分到地面點;

(4)水面上的噪聲點、漂浮物以及植被等產(chǎn)生的點云均分到水域層。

③道路及設施

(1)高速公路、各級公路的隔離帶分到非地面點;

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

(3)過街天橋、人行橋與地面相連的部分點云數(shù)據(jù)分到地面點類，架空部分的點分到架空路面類;

(4)道路上的汽車、行人等非地面點云分到噪聲層。

三、地面約束要素

激光點云數(shù)據(jù)表示地面模型，受飛行時間、點云間距、遮蔽、特殊反射等條件的限制以及客觀世界復雜性的影響，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，對其進行補充約束，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)的形式來補充點云數(shù)據(jù)的漏洞或對地形變化處進行約束，地形表面約束要素包括點、線、面3類矢量形式，起到補充、替換、強制變化等作用。

約束要素基本要求如下:

（一）出現(xiàn)下列情況時，應通過表面約束要素對激光點云局部缺陷區(qū)域進行補充約束。

(1)在激光點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，應利用已有成果作為補充彌補激光點云漏洞區(qū)域;

(2)公路、河渠、水庫等處因植被遮蔽造成有效地面點云明顯不足，與無植被遮蔽區(qū)域的同類地面模型比較，視覺效果差異較大的帶狀區(qū)域，應采集硬斷線或離散高程注記點對局部地面模型進行細化處理。

（二）水體約束要素優(yōu)化處理湖泊、水庫、坑塘及雙線水等，應采集約束線進行水域置平或平差。制作DEM時，按照點云采集約束線，高程賦值應為數(shù)據(jù)獲取時的瞬時水位高;制作等高線時，如果DLG數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性好，以DLG水域線作為特征面，如果點云的現(xiàn)勢性好，則按照點云采集。流動的水體要注意整個測區(qū)的水域平差，確保等高線過水正確，避免等高線二次過水現(xiàn)象出現(xiàn)。

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

四、點云分類檢查

（一）目視檢查原則

(1)不同的地形類別高程精度要求不同，對能夠滿足精度要求的區(qū)域不必再進行過度的細節(jié)處理，對不能滿足精度的區(qū)域，則必須重點處理;

(2)平原地區(qū)應對大田作物區(qū)、建筑區(qū)、溝渠道路兩側區(qū)域等進行重點檢查;

(3)丘陵山地應重點檢查灌木林區(qū);

(4)平原丘陵過渡地帶，人類活動多，地形變換容易失真，進行重點檢查;

(5)對靜態(tài)、流動水體進行重點檢查。

（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，判斷點云覆蓋物類型;

(3)按點云類別賦予相應顏色值目視進行檢查;

(4)按點云類別和高度賦予相應顏色值目視進行檢查;

(5)注意大面積沒有分類為地面的地方。

結束語

本文結合某省中西部地區(qū)DEM的生產(chǎn)，探討了激光點云數(shù)據(jù)的精度、工藝流程及激光點云數(shù)據(jù)的處理原則，探討了激光點云的鑲嵌線繪制過程中需考慮的問題，分析了激光點云的自動分類和人工分類的要求、約束要素的要求。利用激光點云制作數(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的工作量，將有很好的利用前景。