聞兆海，謝 忠

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學（武漢）信息工程學院，湖北 武漢 430074）

基于Matlab的LAS格式數(shù)據(jù)解析與顯示

聞兆海1，謝 忠2

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2.中國地質(zhì)大學（武漢）信息工程學院，湖北 武漢 430074）

機載激光雷達系統(tǒng)近年來得到了廣泛的應用，為了數(shù)據(jù)交互的方便，ASPRS制定了LiDAR數(shù)據(jù)交換格式標準——LAS格式標準。對LAS1.4文件格式進行了詳細的分析，基于Matlab平臺，對LAS文件中的點數(shù)據(jù)記錄進行完整讀取，并進行三維顯示，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供完整的數(shù)據(jù)源。

機載激光雷達；點數(shù)據(jù)；LAS；Matlab

機載激光雷達測量系統(tǒng)由激光測量系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)（IMU）、GPS定位系統(tǒng)等組成。通過連續(xù)發(fā)射激光脈沖，實時接收地面及地表物體反射的激光脈沖，快速獲取地面及地表物體的位置及高程信息。機載激光雷達測量技術(shù)是一種主動式測量技術(shù)，受天氣、地形等條件影響小，使用方便、快捷，應用廣泛。

機載激光雷達測量系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是離散的三維點數(shù)據(jù)，稱為“點云”數(shù)據(jù)。隨著測量精度的提高，機載激光雷達測量系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也大幅增加。目前，每m2的測量點數(shù)約為5～6個，測量1 km2的目標區(qū)域，產(chǎn)生的點云數(shù)據(jù)約有500萬個。

點云數(shù)據(jù)的存儲格式有2種：一種是txt格式，存儲離散點的三維坐標數(shù)據(jù)，也可以附加反射強度數(shù)據(jù)；另一種是LAS格式，既可存儲離散點的三維坐標、反射強度數(shù)據(jù)，也可記錄數(shù)據(jù)采集的信息、點的分類信息、GPS時間及顏色信息等[1-3]。

1 LAS格式介紹

LAS文件格式由ASPRS制定。ASPRS制定LAS文件格式的目的是為LIDAR數(shù)據(jù)的提供者和不同的應用開發(fā)者提供一套標準的數(shù)據(jù)交換格式，解決不同廠商及應用者之間的數(shù)據(jù)兼容問題，從而推動機載激光雷達測量技術(shù)的發(fā)展。LAS格式最早的版本是2003年5月的Version1.0，其后，ASPRS于2005年3月推出Version1.1，2008年推出Version1.2，2010年推出Version1.3，2013年7月推出Version1.4-R13。

LAS標準1.4-R13版全面兼容LAS1.0-LAS1.3各個版本，也作了較大的修訂，具體集中在以下幾個方面[4-8]：

1）文件結(jié)構(gòu)從32位轉(zhuǎn)換為64位。同時，也兼容32位點數(shù)據(jù)，最多支持232-1個舊格式數(shù)據(jù)點。

2） 脈沖返回點序號和個數(shù)記錄從5個增至15個。

3）點分類的類型由32種增加到256種，增加了鐵路、路面、橋梁以及各種線型，也預留用戶自定義類型。

4）采用WKT坐標系轉(zhuǎn)換機制，代替先前版本的GeoTIFF柵格坐標機制。點數(shù)據(jù)格式0～5可以采用GeoTIFF格式，也可以采用WKT格式；點數(shù)據(jù)格式6～10只能使用WKT格式。

LAS文件是一個二進制文件，版本1.0-1.2由3部分組成：公共頭域、變長記錄域和點數(shù)據(jù)域，如圖1a所示。在LAS 1.3中，增加了波形數(shù)據(jù)包記錄域（Waveform Data Packet Record），該記錄域可以緊跟點云數(shù)據(jù)域后面，稱為“擴展變長記錄域（Extended Variable Length Record）”，也可以單獨位于一個輔助文件內(nèi)。在LAS 1.4中，進一步擴充了擴展變長記錄域的功能，結(jié)構(gòu)如圖1b所示。

圖1 LAS文件結(jié)構(gòu)

1.1 公共頭域

LAS1.0公共頭域記錄了LAS文件的基本信息，如圖2a所示。在LAS 1.3中，公共頭域增加了“波形數(shù)據(jù)包記錄起始（Start of Waveform Data Packet Record）”字段，用來指明波形數(shù)據(jù)記錄的位置。為了兼容前面的版本數(shù)據(jù)，增加了“老格式點數(shù)據(jù)數(shù)目”和“不同回波的老格式點數(shù)目”字段；為了支持多個擴展變長記錄域，增加了“第一個擴展變長記錄起始”和“擴展變長記錄數(shù)目”字段，如圖2b所示。

圖2 公共頭域格式

1.2 變長記錄域

變長記錄域緊隨公共頭域，一個LAS文件可包含多個變長記錄域，數(shù)目由公共頭域中“變長記錄域數(shù)目”字段指定。每個變長記錄域有一個頭部域，大小為54字節(jié)，LAS1.4和前面版本結(jié)構(gòu)一致。

1.3 點云數(shù)據(jù)記錄格式

在LAS1.0中，定義了點數(shù)據(jù)格式0，其核心字段長度為20字節(jié)，如圖3a所示，數(shù)據(jù)格式0～5都是以它為基礎(chǔ)定義的。LAS1.4新增加了5種數(shù)據(jù)格式，分別為格式6～10，其中數(shù)據(jù)格式6為基礎(chǔ)格式，核心字段長度為30字節(jié)，如圖3b所示。主要的改進有：①每個激光點的回波數(shù)記錄從5個增加到15個；②分類信息字段擴展到一個字節(jié)，支持最多256種類別信息；③GPS時間記錄為必備字段。

圖3 點數(shù)據(jù)記錄格式

2 LAS格式數(shù)據(jù)讀取與顯示

2.1 LAS格式數(shù)據(jù)讀取

根據(jù)前面對LAS文件格式的解析，本文基于Matlab7.10.0（R2010a）對該格式文件進行讀取。數(shù)據(jù)源來自于ISPRS的WG III/4工作組，目標區(qū)域位于德國的Vaihingen地區(qū)，數(shù)據(jù)記錄總共有3 582 656條，采集于2008年。

LAS文件是二進制文件，調(diào)用fread函數(shù)按字節(jié)進行讀取。由于LAS文件中，公共頭域、變長記錄域頭部以及點數(shù)據(jù)長度格式是固定的，根據(jù)文件指針，可以依次讀出各部分內(nèi)容，如圖4所示。讀取的點數(shù)據(jù)信息如表1所示，其中，字段1～4分別為X、Y、Z記錄值以及回波反射強度，字段5為回波點序號、掃描方向以及飛行線路邊緣標識字段，長度為1個字節(jié)，字段6為分類信息。

2.2 LAS格式點數(shù)據(jù)顯示

圖4 數(shù)據(jù)讀取流程

表1 部分點數(shù)據(jù)信息

從LAS文件中讀取的點數(shù)據(jù)坐標值為記錄值，要得到三維坐標值，需要對記錄值進行轉(zhuǎn)換：

經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，得到的坐標值與公共頭域中所標識的X、Y、Z范圍一致。

選取其中的500 000個點數(shù)據(jù)對應的目標區(qū)域，調(diào)用MATLAB中的三維離散點顯示函數(shù)scatter3對點數(shù)據(jù)進行顯示，得到的三維效果圖如圖5所示。圖6為同一目標區(qū)域點數(shù)據(jù)在ArcScene環(huán)境下的三維效果圖。

該目標區(qū)域包含建筑物、河流、橋梁、道路、草地、樹木等典型地物，高程在247.55～289.7之間。與ArcScene環(huán)境下的三維效果圖相比，兩者一致，但是，圖5提供了更完備的點數(shù)據(jù)屬性信息。

圖5 Matlab環(huán)境下點云數(shù)據(jù)三維效果圖

圖6 ArcScene環(huán)境下點云數(shù)據(jù)三維效果圖

3 結(jié) 語

本文對最新的LAS文件標準——LAS1.4格式進行詳細的解析，指出了其與LAS1.0版本相比，在文件結(jié)構(gòu)、公共頭域格式、點數(shù)據(jù)記錄格式等方面的改進。

在Matlab環(huán)境中，采用文件函數(shù)fread讀取了LAS文件中完整的目標區(qū)域點數(shù)據(jù)記錄，并用三維離散點顯示函數(shù)scatter3對點數(shù)據(jù)進行三維顯示。文中采用的數(shù)據(jù)解析方法，可以完整地得到目標區(qū)域的點數(shù)據(jù)記錄，如反射強度、回波次數(shù)、掃描方向、掃描角度、分類信息、邊緣點信息、標識點信息等，有利于后續(xù)的點云數(shù)據(jù)處理，也為相關(guān)研究提供了數(shù)據(jù)格式支持。

[1] 張靖,高偉. LAS格式解析及其擴展域的應用[J].測繪科學,2008,33(3):154-155

[2] 劉春,姚銀銀,吳杭彬.機載激光掃描（LiDAR）標準數(shù)據(jù)格式（LAS）的分析與數(shù)據(jù)提取[J].遙感信息,2009(4):38-42

[3] 趙自明,史兵,田喜平,等.LAS格式解析及其數(shù)據(jù)的讀取與顯示[J].測繪技術(shù)裝備,2010,12(3):17-20

[4] ASPRS.ASPRS LiDAR Data Exchange Format Standard Version 1.0[EB/OL].http://www.asprs.org/a/society/committees/ standards/asprs_las_format_v10.pdf,2003-05-09

[5] ASPRS.LAS Specification Version 1.1[EB/OL].http://www. asprs.org/a/society/committees/standards/asprs_las_format_v11. pdf,2005-03-07

[6] ASPRS.LAS Specification Version 1.2[EB/OL].http://www. asprs.org/a/society/committees/standards/asprs_las_format_v12. pdf,2008-09-02

[7] ASPRS.LAS Specification Version 1.3-R11[EB/OL].http:// www.asprs.org/a/society/committees/standards/LAS_1_3_r11. pdf,2010-10-24

[8] ASPRS.LAS Specification Version 1.4-R13[EB/OL].http:// www.asprs.org/a/society/committees/standards/LAS_1_4_r13. pdf,2013-07-15

P225.1

B

1672-4623（2015）01-0050-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.017

聞兆海，講師，研究方向為機載激光雷達數(shù)據(jù)處理、遙感圖像處理、GIS。

2013-10-14。

項目來源：中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目（CUGL130225）。