孫愛怡，王健

(山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島266590)

LAS格式的解析與轉(zhuǎn)換

孫愛怡，王健

(山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島266590)

摘要：本文主要探討LAS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程,在分析已有四種版本的基礎(chǔ)上,探討LAS標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展趨勢,并采用C++語言對該格式的LiDAR數(shù)據(jù)進行讀取和轉(zhuǎn)換試驗,檢驗了LAS格式的效率,并為以后的LAS格式數(shù)據(jù)處理提供參考。

關(guān)鍵詞：點云數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)格式;LAS;格式分析;數(shù)據(jù)提取

0引言

隨著空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,對獲取準(zhǔn)確可靠空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,對獲取準(zhǔn)確可靠空間數(shù)據(jù)的要求也越來也高。傳統(tǒng)的攝影測量因為生產(chǎn)周期長、費用高、效率低、高程點獲取的密度低,已不適應(yīng)當(dāng)前信息社會的需要。而能夠精確、快速地獲取地面三維數(shù)據(jù)的機載激光雷達(dá)(LiDAR)作為一種經(jīng)濟可靠的技術(shù)隨之孕育而生。始于20世紀(jì)70年代后期,是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)于一身的系統(tǒng),是一種主動遙感技術(shù),用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM、DTM、地表附著物等信息[1]。它可以實現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確地獲取,并根據(jù)實時攝影的數(shù)碼相片,通過計算機重構(gòu)來實現(xiàn)實體或場景目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型,再現(xiàn)客觀事物的實時的、真實的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡單有效手段。

因為LiDAR是由多種設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng),其獲取的數(shù)據(jù)也有很多種,數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富,包含三維激光點云數(shù)據(jù)、高清晰數(shù)碼影像等多種數(shù)據(jù)形式,能真實直觀地反映實際地形地貌[2],而且信息獲取時的數(shù)據(jù)流程也比較復(fù)雜。目前原始數(shù)據(jù)的獲取和激光腳點坐標(biāo)解算,精度控制等都由硬件生產(chǎn)廠家在提供原始數(shù)據(jù)時進行的,但因為用戶不同,他們對數(shù)據(jù)的要求也不同,有時硬件廠家提供的數(shù)據(jù)不滿足要求。以往LiDAR點云數(shù)據(jù)格式通常是由采集和處理LiDAR數(shù)據(jù)的硬(軟)件廠商提供,常見的有:Leica 公司的 Pts,Ptx存儲格式,由TerraScan軟件處理后的 Bin,Ts存儲格式[3]。目前國際上常用的LiDAR數(shù)據(jù)存儲格式包括ASCⅡ文本、柵格以及自定義二進制格式等[4]。ASCⅡ文本直接將LiDAR點的X、Y、Z坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成ASCⅡ碼存儲,占用空間較大,數(shù)據(jù)長度不固定難以建立索引;柵格文件格式是一種成熟的地理數(shù)據(jù)存儲方法,但由于LiDAR 數(shù)據(jù)為離散點,如果采用柵格方式存儲,需要對原始數(shù)據(jù)進行內(nèi)插,可能造成有用信息的丟失,影響了原始數(shù)據(jù)的精度[5];而一些硬件廠商采用的自定義二進制記錄格式往往只是針對特定的硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)處理軟件,難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,且通用性較差,而且大量的點云數(shù)據(jù)對空間的占用也很巨大[6]。有的提供原始的三維離散點云數(shù)據(jù),有的提供進行內(nèi)插后的格網(wǎng)數(shù)據(jù),有的提供包含多次回波信息和回波強度信息,而有的不提供回波次數(shù)和強度信息。制定一個機載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范機載數(shù)據(jù)格式,使機載LiDAR數(shù)據(jù)能夠被數(shù)據(jù)后處理的軟件所通用,對機載LiDAR在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有很大意義。為了方便不同的硬件廠商、軟件廠商和用戶之間進行數(shù)據(jù)交換和共享,美國攝影測量與遙感學(xué)會(ASPRS)機構(gòu)下的 LiDAR 專業(yè)委員會于 2003 年發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn) LiDAR 數(shù)據(jù)格式 LAS.

1LAS格式分析

在經(jīng)過修改后的2.0版本發(fā)布前,一個完整的LAS文件格式由三部分組成,分別是公共頭,變長記錄和LiDAR點集記錄[7]。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(biāo)數(shù)據(jù)就是LiDAR 真實的地物三維數(shù)據(jù)。2.0版本的LAS數(shù)據(jù)則增加了點記錄元數(shù)據(jù)塊,變?yōu)橛伤牟糠謽?gòu)成。在先前的基礎(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。表1示出了1.1版本與2.0版本版本格式的異同。

表1　LAS兩種版本的異同

1.1公共頭

公共頭用來記錄數(shù)據(jù)集的基本信息。如LiDAR點總數(shù),數(shù)據(jù)范圍,LiDAR 點格式,變長記錄總數(shù)等。由于一個LAS文件可能是由硬件采集的數(shù)據(jù)直接生成的或是對已有數(shù)據(jù)進行提取、融合、修改后得到的,因此公共頭中還記錄了LAS文件的生成方式。

針對LiDAR數(shù)據(jù)多返回的特點,公共頭還記錄了最多可達(dá)5次返回的每次返回的LiDAR點總數(shù)。公共頭中還記錄了X、Y、Z方向的比例尺因子(scale)和偏移值(offset),這樣能夠減少每條點記錄的長度(LiDAR 點集記錄中采用long 型記錄三維坐標(biāo)),而且LiDAR點云數(shù)據(jù)的真實坐標(biāo)可以通過下列公式得到:

式中,Xrecord、Yrecord、Zrecord為LiDAR點云數(shù)據(jù)中的記錄值。

1.2變長記錄

變長記錄區(qū)位于公共文件頭去之后,用來記錄數(shù)據(jù)的投影信息、元數(shù)據(jù)信息以及用戶自定義信息等,是LAS格式中最靈活的部分。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。一條變長記錄的長度=變長記錄頭長度+擴展域長度。在其中包含一些元數(shù)據(jù),如點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系信息,用于判斷每條變長記錄起始位置的記錄標(biāo)簽,運用字符串來記錄變長記錄的用戶ID和通過LAS格式來確定的記錄ID等。

點集記錄部分保存了大量的LiDAR腳點信息,是LAS文件的核心,記錄了每個離散點云的三維坐標(biāo)和相關(guān)屬性。如圖1所示。LAS支持的LiDAR 點記錄格式有100種,從Format 0～Format 99.在同一個LAS文件中,只有一種LiDAR點格式。而且要與公共頭中的點格式一致。Format 0是基本的LiDAR 點記錄格式,其他的點格式都是以Format 0為基礎(chǔ)進行擴展的。如目前常用的Format 1格式就是在Format 0的基礎(chǔ)上增加了一條屬性來記錄每個腳點的GPS時間。這樣可保證LiDAR點格式中屬性記錄的靈活性和可擴展性。Format 0格式的點記錄,包含多條基本屬性,如空間X、Y、Z坐標(biāo),激光反射強度值,當(dāng)前點的分類號,當(dāng)前激光脈沖的回波總數(shù),當(dāng)前腳點屬于第幾次返回等。考慮到LiDAR按條帶進行掃描的特點,在Format 0的點記錄中,還包括有當(dāng)前激光器掃描角度和當(dāng)前點是否為條帶邊緣點等信息(這些信息的記錄有助于在后繼處理中進行條帶間數(shù)據(jù)的匹配和拼接)。

圖1　LAS2.0點集記錄

目前應(yīng)用較廣的版本分別是 LAS1.0,LAS1.1,LAS1.2,LAS1.3,LAS1.4,LAS2.0.LAS 逐漸成為 LiDAR 數(shù)據(jù)處理的一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2LAS數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與讀取

基于上述對LAS格式的解析,選取某實驗區(qū)域進行數(shù)據(jù)處理,該實驗區(qū)域包含建筑物、道路、植被等典型地物,利用C++編程語言調(diào)用Liblas類庫,實現(xiàn)二進制的LAS2.0版本的數(shù)據(jù)到txt格式數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,并從中獲取可用信息。部分程序如下:

#include "stdafx.h"

#include "liblas/lasreader.h"

///#include

#include

//#include

#include

#include

#include

using namespace std;

#include//檢測內(nèi)存泄漏

#define m_StrOpenPath_T("F:\test.las")

int_tmain(intargc,_TCHAR* argv[])

{

FILE* flas;

_tfopen_s(&flas,m_StrOpenPath, _T("rb"));

LASreaderreadin;

readin.open(flas);

//read data

intnPts=readin.header.number_of_point_records;

doublemaxx=readin.header.max_x;

double minx=readin.header.min_x;

doublemaxy=readin.header.max_y;

doubleminy=readin.header.min_y;

doublemaxz=readin.header.max_z;

doubleminz=readin.header.min_z;

}

可以獲得該區(qū)域的點數(shù)為23 265,平均點密度為1.364,強度值的范圍從 0～ 223,圖2示出了程序運行過程，圖3示出了運行結(jié)果,可以直觀地獲取點位信息。

圖2　程序運行過程

圖3　程序結(jié)果輸出形成point.txt文件

3結(jié)束語

隨著機載激光雷達(dá)系統(tǒng)的不斷發(fā)展,其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(LAS)也在不斷改進更新。因此在分析LAS2.0數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將常見的軟件所不能進行讀取的LAS2.0版本的文件轉(zhuǎn)換成txt文件,更加清楚直觀的獲取點云點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)、分類、數(shù)據(jù)來源等信息。以便進行更加直觀的進行分析,為日后的LiDAR數(shù)據(jù)處理提供參考,以及進行其他方面的利用。

參考文獻

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孫愛怡(1989-),女,山東濰坊人,碩士生,主要研究方向為現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理理論及其應(yīng)用。

王健(1974-)，女，山東沂水人，博士，副教授，主要從事現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理和LiDAR技術(shù)等方面的教學(xué)及研究工作。

LAS Analysis and Format Conversion

SUN Aiyi,WANG Jian

(ShandongUniversityofScienceandTechnology,CollegeofGeomics,Qingdao266590,China)

Abstract: The main content of this paper is to introduce LAS data structure. Then in-depth discussion LAS data structure of development,has four versions in the analysis,based on the criteria discussed LAS trends,and using C++to deal withLiDAR data in the format and language in orderto read and transformation test,inspection of the LAS format efficiency and format data for subsequent processing to provide reference LAS.

Keywords:Point cloud data; data format; LAS; format analysis; data extraction

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.023

收稿日期：2015-12-21

中圖分類號：P237

文獻標(biāo)志碼：B

文章編號：1008-9268(2016)02-0115-04

作者簡介

資助項目： 山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：ZR2014DM014)，海島(礁)重點實驗室開放基金(編號2013B09)

聯(lián)系人： 孫愛怡 E-mail: geosunaiyi@163.com