劉潤東，趙學(xué)松，宋袁龍

(1.廣西壯族自治區(qū)遙感信息測繪院, 南寧 530000； 2.西安煤航技術(shù)發(fā)展研究院,西安 710054)

在機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件方面，目前的主流是由芬蘭軟件公司基于MicroStation平臺(tái)二次開發(fā)的TerraSolid。其余軟件還有ArcGIS和LasTools合作推出的點(diǎn)云處理模塊、GlobeMapper的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊等，但是應(yīng)用程度沒有TerraSolid廣泛。國內(nèi)軟件有中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的LiDAR-Station；武漢大學(xué)的LiDAR Suite；數(shù)字綠土公司的LiDAR360，以及西安煤航研發(fā)的LiDAR-DP。目前在DEM生產(chǎn)領(lǐng)域，相對(duì)其他軟件LiDAR-DP，應(yīng)用較為廣泛。該軟件可以對(duì)機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行全流程數(shù)據(jù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、濾波、交互分類、輸出DEM等功能，并且針對(duì)植被密集區(qū)域和水域較多的區(qū)域有高效的處理方法，非常適合廣西多植被多水域的地貌特性。

本文使用煤航軟件LiDAR-DP，針對(duì)廣西具有代表性的密集植被區(qū)域以及陡石山等地貌點(diǎn)云進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)了在該類地貌進(jìn)行機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)和技巧。

1 基于LiDAR-DP的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

目前大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理都有相應(yīng)的自動(dòng)化方法，但是機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)分類依然是一項(xiàng)流程較為復(fù)雜的工作。LiDAR處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)有以下步驟：點(diǎn)云消冗、點(diǎn)云分塊、點(diǎn)云自動(dòng)分類、點(diǎn)云交互編輯分類、柵格內(nèi)插DEM，流程如圖1所示。

1.1 點(diǎn)云消冗

機(jī)載LiDAR的航帶之間有一定的重疊度，在重疊區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理增加了運(yùn)算量，并且浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，因此，首先需要將其去除。LiDARDP提供了點(diǎn)云消冗功能，與現(xiàn)有其他軟件不同，該功能可以無需依賴航跡信息對(duì)重復(fù)點(diǎn)云進(jìn)行去除。該過程為自動(dòng)化處理，僅需將多個(gè)條帶點(diǎn)云依次導(dǎo)入軟件，即可自動(dòng)計(jì)算。

圖1 LiDAR-DP點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程圖

1.2 點(diǎn)云分塊

LiDAR-DP能夠根據(jù)國標(biāo)生成1:500～1:10 000比例尺標(biāo)準(zhǔn)分幅框，可以將整個(gè)測區(qū)多個(gè)條帶點(diǎn)云批量導(dǎo)入，按照標(biāo)準(zhǔn)圖框進(jìn)行裁切，生成數(shù)據(jù)塊便于多人協(xié)作進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

1.3 粗差分類

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)中會(huì)存在一些離群點(diǎn)（極高點(diǎn)或者極低點(diǎn)），這些點(diǎn)云會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理造成干擾，尤其是低點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致地面點(diǎn)分類出現(xiàn)高程過低的錯(cuò)誤，因此，該類點(diǎn)云需要從數(shù)據(jù)中去除。使用LiDAR-DP的去除粗差功能可以進(jìn)行自動(dòng)處理，分離粗差點(diǎn)云。

1.4 點(diǎn)云濾波

點(diǎn)云濾波就是對(duì)地面點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分類。LiDAR-DP實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的漸進(jìn)三角網(wǎng)加密算法，能夠?qū)Υ蠖鄶?shù)地形進(jìn)行自適應(yīng)分類，對(duì)于本次使用的廣西點(diǎn)云數(shù)據(jù)，正確率能夠達(dá)到95%以上，大大減少了后續(xù)的人機(jī)交互編輯工作。

1.5 交互編輯

對(duì)于自動(dòng)化分類錯(cuò)誤的區(qū)域，需要人機(jī)交互進(jìn)行核查修正。LiDAR-DP的交互編輯功能非常強(qiáng)大，提供了多種自動(dòng)化算法輔助的交互編輯工具，在密集植被導(dǎo)致的地形缺失區(qū)域，軟件提供了半自動(dòng)地形內(nèi)插工具，在坡度較大的陡石山區(qū)，軟件提供了曲面添加地面點(diǎn)功能。尤其在水系較多的區(qū)域，可以使用LiDAR-DP的斷裂線模塊快速添加特征線，使水面平整。

1.6 輸出DEM

在地面點(diǎn)分類完成后，DEM的內(nèi)插可以自動(dòng)化批量處理。將分類后的點(diǎn)云、生成DEM的圖框和采集的斷裂線元素導(dǎo)入LiDAR-DP的DEM批處理模塊，軟件可以全自動(dòng)輸出DEM成果并自動(dòng)接邊。

2 廣西多植被及陡石地貌LiDAR點(diǎn)云生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)

本次生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)選取了近200 km2廣西地區(qū)具有代表性的熔巖地貌以及植被覆蓋密集的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集按照生產(chǎn)1:5 000 DEM的要求，平均點(diǎn)密度1.5個(gè)點(diǎn)/m2。根據(jù)LiDAR-DP的數(shù)據(jù)處理流程，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了條帶消冗和點(diǎn)云裁切。點(diǎn)云消冗無需參數(shù)輸入，僅需按照條帶排列順序依次加入數(shù)據(jù)，LiDAR-DP就可以自動(dòng)計(jì)算，生成無重疊的點(diǎn)云。點(diǎn)云裁切使用了LiDAR-DP生成的CGCS_2000坐標(biāo)系下1:5 000標(biāo)準(zhǔn)梯形圖框?qū)c(diǎn)云進(jìn)行分幅，分幅參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 圖框生成參數(shù)設(shè)置

圖3 點(diǎn)云濾波參數(shù)設(shè)置

將裁切獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)塊添加到LiDAR-DP批處理，分別進(jìn)行了粗差去除和點(diǎn)云濾波。其中，粗差去除采用軟件設(shè)置的默認(rèn)參數(shù)，濾波的參數(shù)如圖3所示，實(shí)驗(yàn)區(qū)域山形較為陡峭，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，增加角度閾值、減小建筑物邊長尺寸參數(shù)可以獲得較好的濾波結(jié)果。

在自動(dòng)化濾波之后，對(duì)每塊數(shù)據(jù)采用人機(jī)交互的方式精細(xì)化地面點(diǎn)分類。本次實(shí)驗(yàn)區(qū)有大量的裸露石山區(qū)，該類地形的點(diǎn)云大多較為連續(xù)，但是極為陡峭。這樣的區(qū)域需要用人機(jī)交互的方式進(jìn)行重分類，在該類地區(qū)使用LiDAR-DP的曲面模型分類的工具，可以簡捷地重分類陡峭石山地形，地形編輯前后如圖4所示。在植被密集的區(qū)域，容易出現(xiàn)樹木遮擋導(dǎo)致的地形缺失，手動(dòng)添加地面點(diǎn)效率很低。LiDAR-DP提供的地形修補(bǔ)工具可以很好地解決該類問題，能夠?qū)θ笔У乇磉M(jìn)行自動(dòng)內(nèi)插，恢復(fù)地表形態(tài)。廣西境內(nèi)水域較多，本次實(shí)驗(yàn)區(qū)也包含大量的水域，均需要添加大量的斷裂線，以保證水面平整。使用LiDAR-DP的斷裂線模塊，可以快速添加閉合曲面斷裂線和漸變高程的河流斷裂線，圖5所示。

圖4 陡石地形修復(fù)前后對(duì)比

圖5 閉合斷裂線添加前后對(duì)比

在精細(xì)地面點(diǎn)分類完成后，將分類點(diǎn)云、DEM成果圖框和采集的斷裂線數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入LiDAR-DP的DEM內(nèi)插批處理模塊，即可自動(dòng)化生成DEM產(chǎn)品，如圖6所示。DEM批處理參數(shù)設(shè)置需要注意，選擇的類別應(yīng)為地面點(diǎn)的類別，格網(wǎng)間距要與圖框保持一致，具體參數(shù)如圖7所示。

圖6 DEM成果局部渲染圖

圖7 DEM批處理參數(shù)設(shè)置

4 結(jié) 語

本文討論了國產(chǎn)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件LiDAR-DP的數(shù)據(jù)處理流程和功能特點(diǎn)，并選取廣西境內(nèi)約200 km2的實(shí)驗(yàn)區(qū)，使用LiDAR-DP進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，最后生成了1:5 000高精度的DEM成果。實(shí)驗(yàn)區(qū)的數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)表明，LiDAR-DP涵蓋了機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的全部流程，并且簡單易學(xué)，一些獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理功能大幅提高了作業(yè)的效率，完全滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，對(duì)該類似地貌的LiDAR數(shù)據(jù)處理有一定的借鑒意義。