毛衛(wèi)華，徐勝攀，左志權(quán)，黃 河

(1. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310012； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830)

一、引 言

與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)相比，機(jī)載LiDAR可以直接獲取高精度的地面點(diǎn)三維坐標(biāo)，具有數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、可以穿透植被等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于進(jìn)行DEM的生產(chǎn)。目前國(guó)際上實(shí)用化程度較高的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件是TerraSolid，但它在手工編輯時(shí)采用二維方式，降低了三維點(diǎn)云的可視化效果，使得點(diǎn)云編輯不直觀，同時(shí)也不便于檢查點(diǎn)云編輯效果。

本文介紹基于國(guó)產(chǎn)LidarStation機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的三維可視化點(diǎn)云編輯技術(shù)方法，討論在地形、地物比較復(fù)雜的情況下，LidarStation三維可視化編輯在DEM生產(chǎn)中的應(yīng)用，并與主流軟件TerraSolid相比較，說(shuō)明其特色。

二、LidarStation軟件簡(jiǎn)介

LidarStation是由中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的一款機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)專業(yè)處理軟件，由LAS文件預(yù)處理模塊、工程管理模塊、可視化與手工編輯模塊、綜合應(yīng)用模塊等組成，提供了機(jī)載LiDAR點(diǎn)云航帶平差、點(diǎn)云二維/三維可視化、對(duì)點(diǎn)云的查詢與手工編輯、斷面分析、粗差剔除、濾波、DEM/DSM生成、等高線生成等多種功能。軟件良好的操作界面、三維環(huán)境下對(duì)點(diǎn)云的直觀編輯、支持對(duì)海量LiDAR點(diǎn)云的流式濾波與DEM/DSM一體化生成等，使得軟件具有良好的可操作性和較高的數(shù)據(jù)處理效率，在同類軟件中體現(xiàn)出一定的特色和優(yōu)勢(shì)。

三、LidarStation的三維可視化編輯

1. 三維可視化編輯基本原理

點(diǎn)云三維可視化編輯需要解決的核心問(wèn)題是點(diǎn)云拾取。拾取是交互式圖形系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，是對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行增、刪、改等操作的基礎(chǔ)。在三維點(diǎn)云可視化系統(tǒng)中，點(diǎn)云拾取問(wèn)題就是利用鼠標(biāo)實(shí)時(shí)位置捕捉點(diǎn)對(duì)象，或利用鼠標(biāo)所確定的多邊形確定落在該多邊形內(nèi)的點(diǎn)集。點(diǎn)云拾取可采用射線交叉法，在三維空間對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行相交檢測(cè)；也可將三維點(diǎn)云映射到二維屏幕上，對(duì)屏幕上的點(diǎn)云圖像與拾取點(diǎn)或拾取多邊形求交。為加速求交過(guò)程，可對(duì)三維點(diǎn)云按照一定方法進(jìn)行層次組織，只對(duì)存在交集的層次結(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

2. 三維可視化編輯基本方法

基于三維點(diǎn)云拾取，可以很方便地對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行直接編輯，將點(diǎn)由源類(Source Class)分入指定的目標(biāo)類(Target Class)?？赏ㄟ^(guò)LidarStation提供的三維窗口中的可視化編輯工具直接進(jìn)行，也可對(duì)選定區(qū)域的點(diǎn)云作剖面，在剖面窗口中，進(jìn)一步利用點(diǎn)云高程、斜率等信息進(jìn)行分類。在進(jìn)行三維點(diǎn)云分類編輯時(shí)，可對(duì)點(diǎn)云建立Delaunay三角網(wǎng)，并添加光照渲染，借此可以了解地面數(shù)字高程模型生成的初步效果和光滑狀況，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)編輯質(zhì)量，對(duì)存在問(wèn)題的地方進(jìn)一步編輯，從而達(dá)到更好的分類效果。

3. 點(diǎn)云三維實(shí)時(shí)顯示及編輯方式與TerraSolid軟件編輯模式對(duì)比

LidarStation軟件克服了傳統(tǒng)LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件存在的三維可視化效果差、三維實(shí)時(shí)編輯能力差、編輯操作繁瑣的問(wèn)題，對(duì)點(diǎn)云三維可視化與三維環(huán)境實(shí)時(shí)編輯方式進(jìn)行了重點(diǎn)攻關(guān)，解決了三維環(huán)境實(shí)時(shí)顯示與編輯中的關(guān)鍵問(wèn)題。軟件采用四叉樹(shù)構(gòu)建三維點(diǎn)云空間索引，并采用頂點(diǎn)緩沖區(qū)對(duì)象(VBO)與著色器(Shader)實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云實(shí)時(shí)可視化與復(fù)雜效果渲染，通過(guò)海量點(diǎn)云拾取算法實(shí)現(xiàn)對(duì)三維點(diǎn)云的交互式編輯。同時(shí)軟件提供了三維編輯環(huán)境下點(diǎn)云不同可視化效果，實(shí)現(xiàn)了按照高程、類別、條帶、強(qiáng)度等的多種展示方式，與TerraSolid軟件的對(duì)比效果如圖1所示。

四、LidarStation DEM生產(chǎn)試驗(yàn)

1. 試驗(yàn)區(qū)介紹

試驗(yàn)區(qū)位于浙江省某海島城市。島內(nèi)植被密集、地形復(fù)雜，并有湖泊、海域、港口等，區(qū)域面積為1700 m×1700 m，地形高差約為50 m。機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集傳感器為ALS60。圖2為該測(cè)區(qū)的航測(cè)數(shù)據(jù)示意圖。

圖1 LidarStation軟件(左)和TerraSolid軟件(右)點(diǎn)云顯示效果展示

圖2 測(cè)區(qū)航測(cè)數(shù)據(jù)示意圖

2. LidarStation DEM生產(chǎn)過(guò)程

對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行粗差剔除，過(guò)濾掉由于電路傳輸異常、漫反射、飛鳥(niǎo)等產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)；再進(jìn)行自動(dòng)化點(diǎn)云濾波，將三維點(diǎn)云分類為地面點(diǎn)和地物點(diǎn)。對(duì)經(jīng)過(guò)自動(dòng)化濾波后的點(diǎn)云，采用LidarStation的三維可視化與編輯模塊進(jìn)行精細(xì)手工編輯，生成高質(zhì)量地面點(diǎn)云；對(duì)地面點(diǎn)云建立Delaunay三角網(wǎng)并柵格化，便能生成高質(zhì)量DEM。 圖3為L(zhǎng)idarStation的DEM生成流程圖，圖4為基于此流程的針對(duì)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)的各階段生成成果，以及局部地面數(shù)據(jù)Delaunay三角網(wǎng)可視化效果。

由圖4可以看出，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的植被、建筑物等都得到有效剔除，DEM表現(xiàn)光滑、質(zhì)量良好。三維可視化編輯在DEM生產(chǎn)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，使得DEM生產(chǎn)取得較好的效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以浙江沿海某海島城市的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)為例，基于中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制的軟件LidarStation進(jìn)行試驗(yàn)，列舉了利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生成高精度DEM的過(guò)程，并對(duì)其特色的三維可視化編輯方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。試驗(yàn)結(jié)果表明，LidarStation的三維可視化編輯對(duì)DEM生產(chǎn)取得了比較好的效果，對(duì)行業(yè)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類和DEM生產(chǎn)具有比較好的借鑒意義。

圖3 DEM生產(chǎn)流程圖

圖4 測(cè)區(qū)各階段數(shù)據(jù)成果即局部地面Delaunay三角網(wǎng)可視化效果