張 杰 　 賀清清 　 王 飛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州　221116)

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ENVI LiDAR支持下利用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云提取建筑物★

張 杰 賀清清 王 飛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州221116)

對(duì)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)、ENVI LiDAR軟件、建筑物提取流程進(jìn)行了介紹，以ISPRS第三委員會(huì)提供的機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ENVI LiDAR 5.1對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)的建筑物進(jìn)行了提取，并通過(guò)ArcGIS結(jié)合同地區(qū)影像對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)流程及結(jié)果有一定的參考意義。

ENVI LiDAR，機(jī)載LiDAR，建筑物，影像數(shù)據(jù)

0　引言

于2015年4月7日，我國(guó)住房城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳和科學(xué)技術(shù)部辦公廳聯(lián)合對(duì)外公布確定了第三批共84個(gè)2014年度國(guó)家智慧城市新增試點(diǎn)，加上住房城鄉(xiāng)建設(shè)部前兩批公布的193個(gè)國(guó)家智慧城市試點(diǎn)，目前我國(guó)的智慧城市試點(diǎn)已接近300個(gè)[1]。從建設(shè)數(shù)字城市到建設(shè)智慧城市的提出，城市的三維地理信息，尤其是與人類活動(dòng)密切相關(guān)的建筑物一直是其中重要的基礎(chǔ)空間信息，是城市信息化的研究重點(diǎn)。對(duì)以建筑物為主體進(jìn)行的提取、建模，將服務(wù)于城市規(guī)劃、軍事等領(lǐng)域，有利于智慧城市的建設(shè)。

1　機(jī)載激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

機(jī)載激光雷達(dá)(Light Detection And Ranging, LiDAR)測(cè)量系統(tǒng)主要包括：觀測(cè)平臺(tái)(飛機(jī)等)、動(dòng)態(tài)差分GPS(Global Positioning System)、姿態(tài)測(cè)量單元IMU(Inertial Measurement Unit)、激光掃描測(cè)距系統(tǒng)(Laser Range Finder)及多光譜成像儀等。由于激光具有一定穿透性并且儀器在作業(yè)的過(guò)程中可以捕獲多次回波信息，其獲取的激光點(diǎn)云能夠真實(shí)的反映地表信息，密集的激光腳點(diǎn)能夠較好地表現(xiàn)出建筑物、樹林等地物。作為一種可快速、高效、大范圍實(shí)時(shí)獲取高精度三維點(diǎn)云的測(cè)量方法，被廣泛應(yīng)用于地形測(cè)繪、災(zāi)害評(píng)估與監(jiān)測(cè)、城市三維建模、數(shù)字電網(wǎng)、古建筑文物保護(hù)等領(lǐng)域。

常用的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式包括標(biāo)準(zhǔn)的LAS，ASCII的PTS，二進(jìn)制的BIN及文本格式TXT。點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要由掃描點(diǎn)的坐標(biāo)信息、點(diǎn)的回波次數(shù)及回波強(qiáng)度信息等構(gòu)成。

2　ENVI LiDAR簡(jiǎn)介

ENVI LiDAR作為美國(guó)Exelis Visual Information Solutions公司旗艦產(chǎn)品ENVI(The Environment for Visualizing Images)[2]的新擴(kuò)展，是高級(jí)的LiDAR數(shù)據(jù)瀏覽、處理和分析工具，能快速準(zhǔn)確的從LiDAR數(shù)據(jù)中提取三維信息，提取出的信息可在其他平臺(tái)下(如ENVI，ArcGIS)進(jìn)行進(jìn)一步的使用和分析[3]。

其主要可用于實(shí)現(xiàn)LiDRA點(diǎn)云的查看及點(diǎn)密度、覆蓋率分析；點(diǎn)云的分類(分為建筑物、植被、樹、電力線、電線桿、橋梁、地面等)；分類目標(biāo)物矢量化及提取結(jié)果的修正；DTM(Digital Terrian Model)，DSM(Digital Surface Model)的構(gòu)建及顯示；交互式截面可視化、可視域分析、三維可視化飛行瀏覽及編輯；豐富的產(chǎn)品(包括DTM，DSM等地形數(shù)據(jù)，等高線、建筑物、樹、電力線等矢量數(shù)據(jù)，點(diǎn)云正射影像等)輸出等[3]。

ENVI LiDAR提供了一種快速瀏覽、分析、處理LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的途徑，其界面友好簡(jiǎn)潔，交互式、簡(jiǎn)單的操作流程使得其應(yīng)用廣泛。此外，ENVI LiDAR允許用戶根據(jù)需要，自己通過(guò)創(chuàng)建IDL(Interactive Data Language)工程文件來(lái)編寫實(shí)現(xiàn)指定功能，這極大地豐富了軟件處理數(shù)據(jù)的方法，使其具備良好的二次開發(fā)能力。

3　建筑物提取路線及操作流程

3.1LiDAR點(diǎn)云中提取建筑物

從機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云中提取建筑物，主要包括建筑的提取和建筑物的矢量化。一般方法是先將LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)柵格化為深度影像DSM，進(jìn)一步求得規(guī)則化nDSM，再利用圖像的分割算法及邊界線提取算法等圖像分析手段實(shí)現(xiàn)輪廓線提取[4,5]，其流程概括為圖1。

3.2操作流程

ENVI LiDAR作為一款高集成的軟件，其操作簡(jiǎn)單，對(duì)用戶要求不高，從工程的創(chuàng)建到數(shù)據(jù)的處理及導(dǎo)出，均無(wú)需太多干預(yù)。針對(duì)LiDAR點(diǎn)云處理的操作流程如圖2所示。

4　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為ISPRS-Commission Ⅲ提供的官方測(cè)試數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)區(qū)位于德國(guó)斯圖加特市法新根區(qū))，其中包括于2008年8月21日獲得的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)和2008年8月6日獲得的航空影像數(shù)據(jù)。其中LiDAR點(diǎn)共計(jì)約1.856千萬(wàn)個(gè)，高程差值約為420 m，兩種數(shù)據(jù)具體參數(shù)見表1。

表1　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)

具體的，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，各參數(shù)均采用ENVI LiDAR中的默認(rèn)值，關(guān)于建筑物提取的參數(shù)見表2。

表2　ENVI LiDAR中數(shù)據(jù)處理時(shí)建筑物設(shè)置參數(shù)

4.2結(jié)果分析

由于原始數(shù)據(jù)量龐大，按照默認(rèn)參數(shù)值初次完成數(shù)據(jù)處理后，在ArcGIS中將原始影像圖和利用ENVI LiDAR提取出來(lái)的建筑物面狀矢量文件進(jìn)行二階多項(xiàng)式地理配準(zhǔn)(疊加)，并從中截選出具有代表性的兩個(gè)區(qū)域(如圖3，圖4所示)用于對(duì)建筑物提取的質(zhì)量作評(píng)價(jià)。

在兩個(gè)區(qū)域中，如圖3a)所示，區(qū)域1的建筑物頂面多為人字形，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、輪廓相對(duì)完整，單獨(dú)建筑物面積較大，建筑物

上空并未有太多的遮擋、緊鄰建筑物的四周高大樹木及其他設(shè)施較少。如圖3c)所示，除a，b和c三處建筑物提取不完整及d處漏檢外，其他建筑物面狀域均與影像很好的疊合。如圖4a)所示，區(qū)域2中的建筑物結(jié)構(gòu)明顯復(fù)雜很多，而且周圍高大樹木較多，部分建筑物上空被明顯遮擋。在圖4c)中可以看出除結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的g處能夠完整提取外，i處出現(xiàn)漏檢，其他例如e，f，h等處均出現(xiàn)嚴(yán)重的“碎片化”現(xiàn)象。

結(jié)合ENVI LiDAR三維視圖下的建筑物建模結(jié)果，如圖5所示，可以看出在ENVI LiDAR下利用點(diǎn)云進(jìn)行建筑物提取時(shí)，受建筑物自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、鄰近其他地物地貌的影響很大，按照默認(rèn)參數(shù)值提取時(shí)并不能達(dá)到理想的效果，需要后續(xù)多次嘗試設(shè)置不同參數(shù)并進(jìn)行手動(dòng)修正?？偟膩?lái)說(shuō)，軟件操作過(guò)程雖然簡(jiǎn)單，但在應(yīng)對(duì)不同地形條件方面，仍有很大的改進(jìn)空間。

5　結(jié)語(yǔ)

機(jī)載LiDAR為獲取實(shí)時(shí)、海量、大范圍地理空間信息，提供了一條可行的、適合的途徑，其數(shù)據(jù)采集作業(yè)模式相對(duì)成熟，也已被普遍重視。而數(shù)據(jù)的后處理，乃至數(shù)據(jù)的挖掘工作，以ENVI LiDAR為例，仍需不斷提高。此外，由于LiDAR數(shù)據(jù)缺乏重要的紋理信息，作業(yè)過(guò)程具有一定盲目性，而影像數(shù)據(jù)受作業(yè)模式、效率、精度等影響，可以看出，多源數(shù)據(jù)的互補(bǔ)、融合將是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)，只有這樣才能真正的體現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的價(jià)值，才能更好地實(shí)現(xiàn)包括建筑物等的信息化并服務(wù)于各行各業(yè)。

[1]國(guó)家智慧城市2014年度試點(diǎn)名單公布[J].建設(shè)科技,2015(7):6.

[2]屈為剛.ENVI軟件制作SPOT5遙感正射影像圖方法初探[J].山西建筑,2014，40(21):223-225.

[3]http://blog.sina.com.cn/s/blog_764b1e9d0100vph4.html.

[4]谷國(guó)濤.基于機(jī)載LIDAR點(diǎn)云的建筑物三維建模技術(shù)研究[D].南昌:東華理工大學(xué),2012.

[5]楊鵬.基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物提取與建模研究[D].鞍山:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2013.

Extraction of building by airborne LiDAR point cloud with support of ENVI LiDAR★

Zhang JieHe QingqingWang Fei

(SchoolofEnvironmentScienceandSpaticalInformatics,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China)

Technology of Airborne LiDAR (Light Detection And Ranging), the ENVI LiDAR and the process of building extraction are introduced briefly in this paper. Then, based on the International Society for Photogrammetry and Remote Sensing(ISPRS) commission Ⅲ and ENVI LiDAR 5.1, the buildings in testing area were extracted. The evaluation results of quality was learned by overlaying the buildings onto the image in same place through ArcGIS, and the process and results thereof have certain

ignificance.

ENVI LiDAR, airborne LiDAR, building, image data

1009-6825(2016)23-0211-02

2016-06-04★：江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：SZBF2011-6-B35)

張杰(1992- )，男，在讀碩士；賀清清(1991- )，男，在讀碩士；王飛(1992- )，男，在讀碩士

TU198

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