周曉明,唐德瑾,馬秋禾,楊靖宇

(1.信息工程大學 測繪學院,河南 鄭州 450052;2.礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室,河南 焦作 454000;3.北京61135部隊,北京 102211)

LAS Version 2.0數(shù)據(jù)格式解析

周曉明1,2,唐德瑾3,馬秋禾1,楊靖宇1,2

(1.信息工程大學 測繪學院,河南 鄭州 450052;2.礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室,河南 焦作 454000;3.北京61135部隊,北京 102211)

利用表格分析的方式,對比激光雷達系統(tǒng)(L IDAR)標準文件格式LASversion 2.0與舊版本verison1.1之間的異同,分析2.0版本的新特性,便于對LAS格式的理解和應用。新的定義標準更加適應L IDAR硬件間的通用性,給予用戶更多的擴展空間,為L IDAR系統(tǒng)的應用提供高質(zhì)量的文件交換基礎(chǔ)。

L IDAR;LAS;頭文件;變長記錄;元數(shù)據(jù)塊

機載激光雷達(Light detection and ranging, L IDAR)是近年來新發(fā)展的一種集激光掃描儀、GPS以及慣性導航系統(tǒng)(INS)于一體的新型主動式遙感系統(tǒng),通過對掃描激光測距(SLR)技術(shù),結(jié)合GPS和INS測得的傳感器位置和姿態(tài)信息來獲取地面目標的三維坐標,在高精度DEM獲取,道路、電力線測繪、森林參數(shù)測量、城市建模等領(lǐng)域,有著廣泛的應用。

L IDAR系統(tǒng)采用激光掃描的方式獲取回波信號,采集離散腳點信息,激光頻率從幾十到上百千赫,而且由于激光脈沖具有穿透作用,一束激光束能夠穿透樹葉等物體直接到達地面,這樣在一次掃描過程中可以收到多次的回波信號。因此,L IDAR數(shù)據(jù)具有海量存儲,回波信號屬性信息豐富的特點。目前國際上采用的L IDAR數(shù)據(jù)存儲格式包括ASCII文本、柵格以及二進制格式等等。由于ASCII文本數(shù)據(jù)占用空間大,數(shù)據(jù)長度很難固定,不容易建立索引,柵格文件需要對不規(guī)則的離散激光點進行內(nèi)插損失精度等等,都不是目前的標準L IDAR商業(yè)數(shù)據(jù)文件格式。統(tǒng)一L IDAR文件格式主要由 ASPRS下面的L IDAR委員會(ASPRS L IDAR Committee)負責,制定了標準的L IDAR二進制文件交換格式LAS文件。LAS文件格式于2002年首先確定第1個版本(1.0),此后不斷地更新完善發(fā)展了1.1版本(2005-03-07)和目前最新的2.0版本(2007-05-01)。LAS Specification Version 2.0 PROPOSAL對原有的文件格式缺陷做了補充,同時又增加了一些可拓展的數(shù)據(jù)頭文件,以滿足用戶新的需求。

1 LAS 2.0文件的主要結(jié)構(gòu)

LAS version 1.1中將L IDAR文件結(jié)構(gòu)分成3個部分,分別是公共文件頭,變長記錄和L IDAR真實三維點集坐標數(shù)據(jù)(見圖1(a))。這樣組織的好處是在文件頭部分可以用來記錄數(shù)據(jù)的一些基本信息,如點數(shù)、數(shù)據(jù)范圍等等。而在變長記錄中存儲數(shù)據(jù)的投影信息,元數(shù)據(jù)信息及用戶自定義信息等。最后的點集坐標數(shù)據(jù)就是L IDAR真實的地物三維數(shù)據(jù)。LAS version 2.0在1.1的基礎(chǔ)上拓展了數(shù)據(jù)規(guī)范,這種拓展向用戶提供一種更加開放的格式,它增加了點記錄元數(shù)據(jù)塊,將地物點的屬性統(tǒng)一在這部分描述,同時加入了用戶自定義的許可,用戶可以按照規(guī)范增加自己需求的文件格式,是LAS中比較靈活的部分。圖1列出了這兩種版本格式的異同。

1.1 頭文件(File Header Block)

頭文件(File Header Block)是所有LAS文件必須有的,它記錄整個文件數(shù)據(jù)集的公共部分,如L IDAR點的來源、數(shù)據(jù)生產(chǎn)的日期、點的數(shù)量、數(shù)據(jù)范圍和數(shù)據(jù)偏移縮放系數(shù)等等。由于一個LAS文件可能是由硬件掃描器直接采點生成的,也可能是對現(xiàn)有的L IDAR數(shù)據(jù)進行提取、融合、修改后得到的,因此,這個公共文件頭還記錄了LAS文件的生成方式。這個文件頭在版本1.1中被定義成public header block。其實質(zhì)內(nèi)容是一致的,不同是在最新的版本2.0中擴展了一些內(nèi)容,由于在頭文件中設(shè)置了LAS格式版本信息,因此,商業(yè)L IDAR軟件會自動識別出LAS數(shù)據(jù)的版本,也會相應地針對不同的版本文件格式變換數(shù)據(jù)讀取方式,以達到數(shù)據(jù)版本格式兼容的目的。表1是2.0版本中LAS的頭文件,部分選項作者加入了中文說明。

圖1 LAS文件內(nèi)容

表1 LAS頭文件說明

文件中坐標縮放系數(shù)Xscale、Yscale、Zscale,坐標偏移量Xoffset、Yoffset、Zoffset是很重要的參數(shù),知道這些數(shù)值后,L IDAR點云數(shù)據(jù)的真實大地坐標就可以采用下面的公式得到:

1.2 點記錄元數(shù)據(jù)塊(Point Record Metadata Block)

這是LAS version 2.0與之前1.1版本一個很大的不同,這個元數(shù)據(jù)記錄塊實際上是LAS中的第1個可變長度記錄,它定義了點記錄的內(nèi)容和格式。在2.0版本中,這個格式是可以由用戶自己定義的一種點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這樣就拓展了LAS文件的用戶需求,使得文件格式規(guī)范且具有很大的靈活性。文件中所有的定義格式都是以“LASF_”開頭的。在這部分文件中,如果用戶是自己擴展點記錄格式,但之前要向LASStandards Group(lasformat.org)委員會得到一個許可,以保證用戶記錄格式的唯一性。同時文件一定是以“LASF_END”結(jié)束的。表2是一個點記錄元數(shù)據(jù)塊的標準文件樣式,它規(guī)范了數(shù)據(jù)的記錄內(nèi)容和方式,后面的真實點云數(shù)據(jù)(PO IN T DA TA)即按照這種方式進行存儲。

表2 LAS點記錄元數(shù)據(jù)塊

其中CLASSIFICA TION這個文件定義了激光點數(shù)據(jù)的物體類型,對用戶來說是一個比較重要的點屬性信息文件。如果這個點的屬性什么也沒有定義,那么需要設(shè)置成0值。這個數(shù)據(jù)類型一般是不能由用戶自己定義的。如果需要自己定義點分類類型,那么需要在頭文件以及后面一系列的文件頭中更新數(shù)據(jù)信息完成新類型的增加。比較常見的點類型如表3所示。

表3 ASPRS標準L IDAR點分類類型

在點記錄元數(shù)據(jù)塊中還包含了掃描機器的信息A IRBORNE SCANNER PACKET,以及點來源信息等,如原始文件是航空航線(一個航線一個文件)文件或者是由一系列文件組成的,那么這個文件ID就等于這個航線數(shù)。LAS version 2.0定義這樣一個文件的主要目的就是為了增加點坐標的一些屬性信息,例如點的回波強度,點數(shù)據(jù)的物體類型,一些傳感器的硬件信息,以及 GPS信息和波段信息等等。在 version 2.0 specification中,列舉了一個Point Reco rd M etadata Block信息的例子,用戶可以根據(jù)這個例子信息掌握這部分文件的內(nèi)容。例子如下:“LASF_POSIX_Time”,“R8”,“LASF_X”,“R4”,“LASF_Y”,“R4”,LASF_Z”,“I4”,“LASF_Intensity”,”U I1”“LASF_Classification”,“U I1”,“LASF_A TTIBU TES”,“U I1”,“LASF_Return_ PACKET”,“U I1”,“LASF_Point_Source_ID”,”U I4”,“LASF_END”

2 變長記錄Variable Length Reco rds

在LAS version 1.1中,變長記錄用來記錄元數(shù)據(jù)的投影以及自定義信息等,是LAS格式中比較靈活的部分。每條變長記錄包括固定的變長記錄頭和靈活的擴展域兩部分。這個文件的大小是固定的54bit。在2.0中,這部分功能沒有大的變化,只是文件大小變成了58bit。

2.1 Variable Length Reco rd Header變長記錄頭文件

頭文件主要記錄了變長記錄的一些公共信息,主要內(nèi)容見表4。

表4 Variable Length Record Header變長記錄頭文件

2.2 Georeferencing Information

這部分主要是存儲數(shù)據(jù)的地理信息,和1.1版本一樣地理參考信息采用的是 Geo TIFF中的域的方式管理的,用戶可以參考有關(guān)Geo TIFF的文獻進行理解和掌握。

3 結(jié)束語

LAS version2.0和之前的1.1版本都是記錄L IDAR點數(shù)據(jù)格式的,其主要區(qū)別在于2.0版本中增加一個點記錄元數(shù)據(jù)塊(Point Record Metadata Block),它事先定義了真實L IDAR點數(shù)據(jù)存儲格式,并規(guī)范了點數(shù)據(jù)的屬性信息,用戶可以從這部分中知道整個文件的存儲結(jié)構(gòu)。同時用戶可以在這個文件中自己擴展需要的點數(shù)據(jù)的存儲方式,解決用戶的需求。而1.1版本是在所有的頭文件結(jié)束后,在真實點數(shù)據(jù)直接添加點的屬性信息,沒有事先單獨記錄點集的文件格式。文件的拓展空間也主要集中在變長記錄中,相比較改進的2.0版本,有一些缺陷。規(guī)范而靈活的LAS文件可以適應成熟的商業(yè)L IDAR軟硬件,在通用性和實用性上有很大的優(yōu)勢,是L IDAR發(fā)展的必然選擇。

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LAS Version 2.0 Data Formatsanalysis

(1.Institute of Surveying and Mapping,Info rmation Engineering University,Zhengzhou 450052,China;2.Key Laboratory of M ine Spatial Information Technologies,State Bureau of Surveying and Mapping,Jiaozuo 454000,China;3.Troop 61135,Beijing 102211,China)

ZHOU Xiao-ming1,2,TANGDe-jin3,MA Qiu-he1,YANG Jing-yu1,2

The paper,the fo rm of the w ay,compared the similarities and differences of laser radar system (L IDAR)standard file fo rmat LAS version 2.0 and o lder versions verison1.1.It analyzed the new features of Version 2.0 facilitate the reader’s understanding and app lication of LAS fo rmat.The new definition of the standard ismore adap ted to the L IDAR hardware commonality,giving the user mo re room for expansion and quality document exchange for the L IDAR system app lications.

L IDAR;LAS;file header;variable length records;metadata block

TP391;P237

A

1006-7949(2010)04-0043-04

2009-10-27

礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室開放基金資助項目(KLM 200904)

周曉明(1982-),男,博士研究生.

[責任編輯:劉文霞]