王宇赤

（大慶油田工程有限公司 勘察工程部，黑龍江 大慶163712）

目前，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)已成為一種新型的航空遙感傳感器，其優(yōu)勢(shì)在于可全天候甚至夜間或惡劣天氣進(jìn)行航空遙感作業(yè)，并能夠快速獲取高精度的數(shù)字高程信息。LIDAR系統(tǒng)是應(yīng)用多光束返回技術(shù)來采集高程，數(shù)據(jù)密度可達(dá)到常規(guī)攝影測(cè)量的三倍，提供理想的數(shù)據(jù)高程模型DEM，大大提高了正射影像的糾正精度。LIDAR數(shù)據(jù)的地理信息軟件處理，可以直接與其他要素或影像數(shù)據(jù)合并，生成內(nèi)容更為豐富的各類專題地圖。

1 LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取原理

LIDAR系統(tǒng)是一個(gè)主動(dòng)傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)不依靠太陽(yáng)光照，其本身發(fā)射激光脈沖照射地面上的目標(biāo)地面，并通過接收激光脈沖的回波信號(hào)，經(jīng)過相應(yīng)的處理直接獲取地面三維數(shù)據(jù)（見圖1）。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，具有快速高效、精度高、數(shù)據(jù)密集高的優(yōu)點(diǎn)。覆蓋在地球上的目標(biāo)如建筑物、植被及地面等都可以反射電磁波。獲取地表地物的三維空間點(diǎn)坐標(biāo)集是LIDAR系統(tǒng)的主要工作目標(biāo)，該系統(tǒng)以傳感器所發(fā)出的測(cè)量脈沖到傳感器接收由地表目標(biāo)物反射回的脈沖回波所需的時(shí)間（t），以及激光傳播的速度（c）為依據(jù)來確定被測(cè)目標(biāo)與傳感器間的距離。在數(shù)據(jù)采集過程中，LIDAR傳感器不斷地向地面發(fā)射測(cè)量脈沖，監(jiān)控器實(shí)時(shí)地記錄每束測(cè)量脈沖回波發(fā)生點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這些三維點(diǎn)集的坐標(biāo)信息就是LIDAR系統(tǒng)提供的主要測(cè)量結(jié)果。三維點(diǎn)云就是該系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)，它包括每一點(diǎn)高程信息對(duì)應(yīng)的位置信息，具有地物類別信息及豐富的目標(biāo)多次回波信號(hào)及強(qiáng)度信息，還包含地物對(duì)象的高程信息等。

2 LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類與DEM生成

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類

在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理前應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，剔除如特別高的點(diǎn)（云或飛行中的鳥）或特別低的點(diǎn)（地面以下的點(diǎn)）等錯(cuò)誤及高程異常的點(diǎn)。激光點(diǎn)的分類是進(jìn)一步處理的基礎(chǔ)。一束激光打到地面上，可以有若干次的信號(hào)反射，我們既需要得到地表的信息，也需要將這些不同地物反射的激光點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)分開。LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類實(shí)質(zhì)是一個(gè)人機(jī)交互的過程，需要依靠人為經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，并分出詳細(xì)類別。首先應(yīng)該對(duì)自已所處理的數(shù)據(jù)有一個(gè)全面的了解和分析，了解你所要處理的數(shù)據(jù)類型，是平地、丘陵地還是山地。了解地形后，就可以運(yùn)行相應(yīng)的參數(shù)，該參數(shù)就是根據(jù)不同的地形類別得出的系數(shù)值，在每個(gè)項(xiàng)目中都會(huì)有根據(jù)項(xiàng)目設(shè)定的一套針對(duì)不同地形而設(shè)置的粗分參數(shù)，即宏命令，例如平地、山地、梯田、養(yǎng)殖區(qū)等地形參數(shù)。在參數(shù)運(yùn)行后進(jìn)行的數(shù)據(jù)分類中，如參數(shù)不合理，在命令窗口中可先進(jìn)行粗分參數(shù)的編輯，然后再運(yùn)行并自動(dòng)化取點(diǎn)。數(shù)據(jù)粗分完成后要對(duì)整塊數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查，看是否有數(shù)據(jù)丟失或異常等數(shù)據(jù)缺陷問題，確定沒有后再進(jìn)行仔細(xì)編輯，找回地面點(diǎn)并且盡量還原地形（見圖2）。

圖1 遙感影像地面三維數(shù)據(jù)

圖2 影像處理前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.2 DEM的生成

DEM 即數(shù)字高程模型（digital elevation model的縮寫），通常定義在x、y域的離散點(diǎn)（規(guī)則或不規(guī)則）上，并以高程表達(dá)地面起伏形態(tài)的數(shù)字集合，是一種對(duì)空間起伏變化進(jìn)行連續(xù)表示的方法。DEM的制作前提是地面點(diǎn)的精確提取，由于地表一般為堅(jiān)硬的固體表面，激光點(diǎn)不會(huì)穿透，除去由于其他原因引起的低點(diǎn)外，一般認(rèn)為最低層的點(diǎn)即為地面點(diǎn)。打在樹上的點(diǎn)會(huì)被反射回去，這樣反復(fù)3～4遍直至打到地面上被地面吸收為止。通常具有明顯的曲面形狀的點(diǎn)都是地面點(diǎn)，而沒有形成明顯的曲面形狀的都是廢點(diǎn)。當(dāng)然也會(huì)有例外，那種比較密集的灌木叢有時(shí)候看起來比較有規(guī)律，要參照影像進(jìn)行區(qū)分。利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM的關(guān)鍵是對(duì)其進(jìn)行過濾計(jì)算，即濾掉那些并非由地面點(diǎn)的回波信號(hào)而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如房屋、植被、交通工具及橋梁等，以得到DEM。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯處理

盡管軟件可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行大部分的自動(dòng)分類處理，但是自動(dòng)處理算法因地面的復(fù)雜性和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的隨機(jī)性而無法保證完全的可靠性，因此，自動(dòng)分類完成后，對(duì)于一些物體的交界處、植被、陡坎、建筑以及水域等比較特殊及復(fù)雜的目標(biāo)仍需進(jìn)行人工交互編輯。人工編輯的目的是剔除自動(dòng)濾波、自動(dòng)分類沒有濾掉的粗差和激光點(diǎn)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量控制目的。

設(shè)定了最適用的參數(shù)值也就得到了最省時(shí)的半成品，但在特殊的地方如陡坎、居民地、植被茂盛區(qū)還需要用手動(dòng)的方式找回地面點(diǎn)，即細(xì)編輯。也就是需要不斷地手動(dòng)拉剖面找回地面點(diǎn)，拉剖面時(shí)應(yīng)從低到高，垂直于地物拉剖面，剖面拉的不要太寬，這樣可以直觀地看清剖面。

3.1 居民地

房屋下的房基形狀完整，在能滿足精度要求的前提下，較好地保留和取舍: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，較小的單獨(dú)地基可以刪掉。房區(qū)中的所有道路點(diǎn)都要保留，房區(qū)里的圍墻、樹木、草堆、雜物都需去掉，大型人為堆出來的臨時(shí)性土堆可以不保留（見圖3）。

圖3 房屋點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 帶有低矮、密集植被和農(nóng)田的平地

編輯植被時(shí)影像只能作為參考，判斷有無植被，并通過影像來判斷植被的高低，原則是只要有植被，能拿走的就要拿走，如果在剖面上分析，植被不是很高，并且很密集，分不出是植被點(diǎn)還是地面點(diǎn)的，可以認(rèn)為植被很低，可以不處理，但只要在剖面上能辨別出有高差的植被點(diǎn)，就應(yīng)取走。路兩側(cè)的行道樹去掉，樹下有渠且形成一定規(guī)模，則渠的點(diǎn)要保留（見圖4），無論在什么情況下，只要確定為渠點(diǎn)就要保留。農(nóng)田的田埂要保留，田埂上的植被應(yīng)去掉，高出田埂的植被點(diǎn)盡量去掉，如去掉后導(dǎo)致地形失真的，可用降點(diǎn)的方法來補(bǔ)充。

3.3 帶有植被和石頭的山

石頭和植被共有的地方需看清楚影像中是石頭多還是植被多，如果石頭多植被少，而且還是低矮的植被，就可以忽略植被不處理；如果植被比石頭多，而且石頭又是一些不太大的碎石，可以將植被和石頭圖像一起去掉。如果是大石頭，就要保留石頭去掉植被，全部都是大石頭的山就把點(diǎn)全部保留。山中小路要保留，不能少點(diǎn)。山中存在地形的地方必須要保證地形的完整，如溝、坎、山包等地形都需要保留。

圖4 水渠及行道樹點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

LIDAR技術(shù)在農(nóng)業(yè)、水利電力設(shè)計(jì)、公路鐵路設(shè)計(jì)、國(guó)土資源調(diào)查、交通旅游與氣象環(huán)境調(diào)查、城市規(guī)劃等各大領(lǐng)域中可以得到廣泛的應(yīng)用。激光雷達(dá)以其高超的性能已成為各種測(cè)量應(yīng)用中深受歡迎的一種高新技術(shù)，可以快速地完成地面高程模型DEM及數(shù)字正射影像圖DOM的大規(guī)模生產(chǎn)，大大提高了航測(cè)成圖的作業(yè)生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，提高成圖精度，可提供更為豐富的地理信息。

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