秦佩陽 林書范 張道輕

（1.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；2.?？诤肟钡乩硇畔⒂邢薰?海南 ?？?570226;3.河南省征地儲備中心,河南 鄭州 450016）

1 引言

機載LiDAR 系統(tǒng)是集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（IMU）技術(shù)于一體的空間測量系統(tǒng)[1]，不受日照和天氣條件限制，能全天候?qū)Φ赜^測。機載激光雷達傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹林遮擋，獲取地面的高精度三維信息，在災害監(jiān)測、資源勘查、森林調(diào)查、地形測繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。以此為基礎(chǔ)制作的DEM 數(shù)據(jù)具有表達地貌細微、精度高的優(yōu)點，成為國內(nèi)外獲取DEM 的主要手段。本文基于機載LiDAR點云簡單分類，利用軟件對其進行精細分類后獲得地面點點云，制作高精度DEM，并對高精度DEM 反生出來的等高線進行處理，以滿足萬分之一制圖要求。

2 總體技術(shù)方案

對LiDAR 點云預處理后的地表點進行人工精細分類，提取精細分類后地面點云進行高精度DEM 的構(gòu)建與輸出；針對不同地形DEM 反生的等高線，經(jīng)過綜合處理，滿足地形圖制圖要求。具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 高精度DEM及等高線處理流程圖

3 點云精細分類及高精度DEM 構(gòu)建

3.1 點云分類軟件和精細分類方法

3.1.1 TerraSolid 軟件介紹

TerraSolid 系列軟件是第一套商業(yè)化的LiDAR 數(shù)據(jù)處理軟件，基于MicroStation 開發(fā)運行[2]。利用TerraSolid 中 的TerraScan、TerraModel 模 塊 處 理LiDAR 點云數(shù)據(jù)，通過自動濾波、手動精細分類，設(shè)定閾值，去除各種噪聲和誤差點，尋找地面點。提取地面點是最重要的操作步驟，即濾掉非地面點的回波信號所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如房屋、植被、交通工具及橋梁等，以得到更加貼近地表的地面點。

3.1.2 濾波基本原理

濾波的基本原理是基于真實地面與地物高程差異，針對相鄰點或點集之間的高程差，通過構(gòu)建“網(wǎng)格”范圍并采取一定的規(guī)則進行運算，把混合在一起的屬于不同對象的點區(qū)分開來，特別是地面點與非地面點。

3.1.3 點云預處理

測量過程中因儀器誤差和被測對象的物理特性不免會混有噪聲點，相比激光點總數(shù)，噪聲點數(shù)目極少，但多數(shù)濾波算法都是以高程突變?yōu)槔碚撘罁?jù)進行濾波，最低點默認為地面點，如果噪聲點沒有被去除將影響濾波效果，因此在精細分類前去除噪聲點非常必要。

3.1.4 點云精細分類方法

經(jīng)過預處理后的點云數(shù)據(jù)含地面點、植被點、建筑物點、水域點、橋點等，原始點云均在同一數(shù)據(jù)層。精細分類是將這些點分類歸屬至預先定義的正確數(shù)據(jù)層中，如地面點放在ground 層、植被點放在vegetation 層、建筑物點放在building 層等，其中重點是分出地面點，生成高精度DEM。常用濾波分類方法有數(shù)學形態(tài)學法、基于地形坡度法和基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法。

（1）數(shù)學形態(tài)學法

Lindenberger 最早提出采用數(shù)學形態(tài)學法對激光點云數(shù)據(jù)進行開運算，然后通過自回歸過程改善開運算結(jié)果，自回歸運算要求激光點有序排列，適合處理有序的激光點數(shù)據(jù)[3]。目前，形態(tài)學算法應(yīng)用于許多圖形圖像處理軟件，這些軟件在數(shù)據(jù)處理時常將數(shù)據(jù)規(guī)格格網(wǎng)化，從而導致信息損耗，特別是在地面點和地物點間進行內(nèi)插，得出的高程值在地面點與地物點之間，讓內(nèi)插的高程數(shù)據(jù)相比實際數(shù)據(jù)更平滑。但在地形特征信息明顯區(qū)域，如山頂、山脊線、山谷線等處，這一方法將弱化地形特征信息，使濾波分類更困難。

（2）基于地形坡度法

該算法基本思想是基于非地形坡度引起的兩相鄰點與高程差異有關(guān)的坡度值，認定其中較高的點是非地面點。在高差一定的情況下，隨著兩點間距離的減小，較高點是地面點的可能性也減小。該方法根據(jù)一個可接受的兩點間的高程差，構(gòu)造兩點間的距離函數(shù)的函數(shù)。因此，兩點之間的閾值Δhmax（d）可以利用兩點間的距離來定義，即濾波函數(shù)如公式（1）所示。

公式（1）中，s 是可容許的最大地形坡度百分數(shù)；d 是兩點之間的距離；δz 為標準偏差。

（3）基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法

該算法濾波的主要流程是先將點云數(shù)據(jù)進行分塊處理（分塊大小通常以測區(qū)最大地物尺寸為準），然后在塊中選取一些高程較低的點，作為原始地面點用于構(gòu)建初始三角網(wǎng)[4]。構(gòu)建好初始三角網(wǎng)后對非地面點P 進行判斷，如果該點到其對應(yīng)三角形的距離d 以及點到三角形三個頂點之間的角度α、β、γ 均小于給定的閾值（如圖2 所示），那么該點為地面點，將該點加入初始地面點集中并重新構(gòu)建TIN。然后繼續(xù)對剩余點進行判斷，經(jīng)過不斷迭代，遍歷完所有的點，直至待判斷點集中不再出現(xiàn)滿足距離與角度閾值的點。

TerraSolid 軟件中的TerraScan 模塊對激光雷達數(shù)據(jù)的濾波采用的就是基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法，通過不斷建立三角網(wǎng)的過程篩選出地面點。

3.2 構(gòu)建高精度DEM

利用TerraScan 精細分類后，將關(guān)鍵地面點（Ground）、水點（Water）作為特征點，帶有高程信息的面狀水域范圍線和河流邊線作為特征線，采用雙線性多項式內(nèi)插方法構(gòu)建規(guī)則三角網(wǎng)，從而生產(chǎn)高精度DEM（如圖3 所示）。

圖2 不規(guī)則三角網(wǎng)濾波算法中的參數(shù)

圖3 高精度DEM

4 DEM 反生等高線及綜合處理

4.1 DEM 反生的曲線存在的問題

地形圖制圖要求等高線滿足精度的同時，曲線光滑，但作業(yè)中DEM 反生的等高線，尤其是平地1 米等高距的等高線存在抖動、鋸齒狀、尖銳角、綜合取舍難、主次難分的情況（如圖4 所示），需作業(yè)人員進行分析。

圖4 初始反生的等高線

4.2 MapMatrix 中DEM 編輯功能介紹

利用航天遠景MapMatrix 中的DEM 編輯模塊對原始DEM 進行局部平滑或全局平滑，根據(jù)不同地形設(shè)定不同的平滑度（1 ～12）（如圖5 所示），對平地可以適當加大平滑度，以滿足精度和制圖要求，丘陵山地不能平滑太厲害,以免山頭被消掉。

DEM 平滑后進行精度驗證，反生曲線和原始曲線對比不能超過半個等高距。經(jīng)過上述處理后，圖6 顯示，處理前后等高線中心位置沒有發(fā)生偏移，主次分明，美觀圓滑，滿足制圖要求。

圖5 DEM平滑界面

圖6 DEM平滑前后等高線精度對比

5 結(jié)語

基于機載LiDAR 點云制作DEM 及等高線的方法可以對局部地貌進行有效處理，與傳統(tǒng)航測立體采集相比，大大減輕了工作量，為完成河南省LiDAR 航攝生產(chǎn)DEM 及萬分之一基礎(chǔ)測繪地貌更新工作提供了借鑒和經(jīng)驗。