LiDAR點(diǎn)云生成DEM的水面置平方法研究與實(shí)現(xiàn)

張 弓同，李四海，焦紅波，曲 輝

(國(guó)家海洋信息中心，天津300171)

一、引 言

LiDAR(激光雷達(dá)測(cè)量)是美國(guó)航天局(NASA)1970年開發(fā)的三維激光掃描測(cè)量技術(shù)，它通過位置、距離、角度等觀測(cè)直接獲取對(duì)象表面點(diǎn)三維坐標(biāo)，直接獲取真實(shí)地表的高精度三維信息［1］，已廣泛應(yīng)用于道路工程、海岸線海島礁、特殊地形測(cè)繪、數(shù)字城市等領(lǐng)域，被認(rèn)為是測(cè)量領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。

由于激光光束能夠接收多次回波，通過一定的數(shù)據(jù)后處理算法，可以有效地剔除植被的影響，獲得高精度數(shù)字高程模型(DEM)［2］，與數(shù)字正射影像圖(DOM)疊加，可以快速獲得研究區(qū)域地面的三維信息。利用LiDAR產(chǎn)生的DEM，在三維城市建模、鐵路勘察設(shè)計(jì)、地形景觀的顯現(xiàn)等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用。在災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)中，可以迅速獲得災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的情況，對(duì)制定災(zāi)害的預(yù)防及補(bǔ)救方法、災(zāi)后評(píng)估等有著重要的意義［3］。

但是，由于LiDAR光束無法穿透水體，導(dǎo)致水體內(nèi)部的激光點(diǎn)數(shù)量很少，因此在擬合數(shù)字高程模型等產(chǎn)品時(shí)，水面會(huì)出現(xiàn)空洞或崎嶇不平的現(xiàn)象，影響了數(shù)字高程模型等產(chǎn)品的使用效果。本文就水面置平問題展開研究。

目前，關(guān)于水面置平有不同的方法和技術(shù)。要解決這個(gè)問題，方法之一就是水體信息的提取。在國(guó)外，Brzank等分析了水體在LiDAR數(shù)據(jù)中所呈現(xiàn)出的特征，通過監(jiān)督分類區(qū)分水體和濕泥地，提取水體和結(jié)構(gòu)線［4］。在國(guó)內(nèi)，王宗躍等采用雙層格網(wǎng)模式，基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取較窄的水體，并以朝向水體的邊界點(diǎn)作為擬合輪廓線的關(guān)鍵點(diǎn)提取更精確的輪廓線，取得較好的效果［5］;張永軍等提出將LiDAR數(shù)據(jù)對(duì)水體的敏感性與航空影像的高分辨率特征相結(jié)合的水體自動(dòng)提取方法，并用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法進(jìn)行邊緣信息區(qū)域生長(zhǎng)運(yùn)算，最終獲得水體區(qū)域［6］。

本文以LiDAR激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用相鄰點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角最小原理，對(duì)水體輪廓信息進(jìn)行有效識(shí)別之后，再對(duì)水面進(jìn)行合理的填充和置平處理，有效提高了數(shù)字高程模型等產(chǎn)品的應(yīng)用效果。在數(shù)據(jù)處理中，筆者使用C#語言編程序?qū)崿F(xiàn)。

二、水面置平方法的建立

1．LiDAR數(shù)據(jù)的格式

在對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行地面點(diǎn)提取時(shí)，首先要分析LiDAR數(shù)據(jù)的格式［7］，實(shí)現(xiàn)讀寫。

2．算法過程

首先提取LiDAR數(shù)據(jù)末次濾波的地面點(diǎn)，對(duì)LiDAR數(shù)據(jù)空白處考慮為水面點(diǎn)，提取基本的(x，y，z)坐標(biāo)，生成ArcGIS文件，按照平面邊界點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角最小原理，提取水面和島嶼邊界，按照填補(bǔ)水面坐標(biāo)點(diǎn)的方法轉(zhuǎn)成DEM，達(dá)到水面置平的目的。本文的島嶼指的是水面里的點(diǎn)集，可能是真實(shí)的島嶼或水里的地物。具體流程如圖1所示。

(1)提取數(shù)據(jù)整個(gè)邊界

對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)的邊界范圍進(jìn)行提取，生成ArcGIS文件，對(duì)邊界進(jìn)行編輯修改，得到自己感興趣部分的范圍。

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方法

首先對(duì)激光點(diǎn)云分塊處理，本文采用等格網(wǎng)分割方法［8］對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理。

圖1 算法流程

(3)水面和島嶼邊界提取方法

由于水面為空數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此適當(dāng)調(diào)整網(wǎng)格寬度在水面部分就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格。將所有為空數(shù)據(jù)網(wǎng)格組成一個(gè)集合，從集合中的第一個(gè)空網(wǎng)格開始，依照網(wǎng)格向左查找，直到網(wǎng)格內(nèi)部不為空為止，如圖2所示。

在找到這個(gè)網(wǎng)格k后，取網(wǎng)格k內(nèi)最右邊的點(diǎn)a0，從這一點(diǎn)開始，以角度為0°、旋轉(zhuǎn)半徑為r，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，遇到第一個(gè)點(diǎn)即為下一點(diǎn)a1，其旋轉(zhuǎn)角θ為最小值，如圖3所示。這是得到第一個(gè)點(diǎn)的方法。

圖3 第二個(gè)點(diǎn)的選擇方法

以后點(diǎn)的選取如圖4所示，以點(diǎn)am為圓心，按照am到am－1方向開始，依據(jù)選好的半徑r，沿著順時(shí)針的方向，遇到第一個(gè)點(diǎn)即為下一點(diǎn)am+1，其旋轉(zhuǎn)角θ為最小值。依次類推，得到一系列的點(diǎn)，每個(gè)水面構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)集，得到一個(gè)點(diǎn)集合，稱這個(gè)點(diǎn)集合就是一個(gè)水面或島嶼。

圖4 第m+1個(gè)點(diǎn)的選擇方法

(4)具體分析

對(duì)于當(dāng)前得到的am點(diǎn)可能有以下幾種情況:

1)噪聲點(diǎn):當(dāng)找到一系列點(diǎn)后，當(dāng)前點(diǎn)am在半徑為r的圓范圍內(nèi)查找點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了am－1外無法找到其他的點(diǎn)，或都是已經(jīng)找到的點(diǎn)，則稱am點(diǎn)為噪聲點(diǎn)，將am點(diǎn)刪除或另行處理。使用圖4所示方法可得到新的am點(diǎn)，依次找到水面的所有點(diǎn)。

2)水面點(diǎn):按照步驟(3)方法得到水面范圍，將水面范圍內(nèi)(不包括邊界)所有的點(diǎn)提取出來構(gòu)成一個(gè)集合list1，然后從list1中找到坐標(biāo)點(diǎn)x方向坐標(biāo)最大的點(diǎn)b0，從b0開始，依次考慮是噪聲還是島嶼，一直做到list1中的點(diǎn)全部解決完為止。然后，對(duì)查找到的噪聲點(diǎn)和島嶼點(diǎn)分別處理。

3)島嶼點(diǎn):使用步驟(3)算法，很容易得到島嶼的外圍。在得到島嶼點(diǎn)的集合并保存后，將島嶼內(nèi)部及邊界所有的點(diǎn)從網(wǎng)格內(nèi)部刪除，這樣就不影響島嶼所在的水面的第一個(gè)邊界點(diǎn)的選取，直到將所有的水面都畫出來為止。

4)邊界點(diǎn):使用步驟(3)算法，如果遇到整個(gè)數(shù)據(jù)邊界，就要邊界加點(diǎn)依次畫出水面的外圍。

這樣就生成了水面和島嶼的ArcGIS文件，如圖5所示。

三、水面置平的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

圖5中的ArcGIS文件是參考Esri發(fā)布的Shapefile Technical Description格式，只保存水面和島嶼點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo)(如圖6所示)。

圖5 含有噪聲點(diǎn)、島嶼點(diǎn)、水面點(diǎn)和邊界點(diǎn)生成的面文件

圖6 生成的水面島嶼文件

畫出水面和島嶼之后，實(shí)現(xiàn)水面內(nèi)部的加點(diǎn)，要求所加點(diǎn)的z值與水面邊界點(diǎn)及其內(nèi)部點(diǎn)的最小z值一致。由于LiDAR數(shù)據(jù)在水面部分會(huì)有少量的點(diǎn)返回，因此這樣得到的z值即為水面的高度。添加的點(diǎn)生成新的ArcGIS點(diǎn)文件。水面部分在輸出到DEM時(shí)水面部分z值相同，而且為水面所圍范圍的高度，保證了水面部分是平的，也就是達(dá)到水面置平的目的。

將原始LiDAR數(shù)據(jù)生成的ArcGIS文件(如圖7所示)與水面加點(diǎn)后生成的新的ArcGIS文件(如圖8所示)相比，很容易看出水面密集的加點(diǎn)效果。

圖7 原始的LiDAR數(shù)據(jù)

圖8 水面均勻加點(diǎn)后的數(shù)據(jù)

四、LiDAR數(shù)據(jù)水面置平試驗(yàn)

原始LiDAR數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN時(shí)水面崎嶇不平的狀況很明顯，如圖9所示。經(jīng)過水面置平技術(shù)處理后構(gòu)建TIN時(shí)水面部分已經(jīng)平坦，而且加氧機(jī)也顯現(xiàn)出來了，說明水面置平效果很明顯，如圖10所示。

圖9 原始LiDAR數(shù)據(jù)生成的TIN

圖10 LiDAR數(shù)據(jù)處理后生成的TIN

原始LiDAR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成DEM時(shí)水面有空洞現(xiàn)象，如圖11所示;水面置平處理后LiDAR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成DEM時(shí)水面平坦，水面內(nèi)部的加氧機(jī)很明顯，如圖12所示?？梢詮膮^(qū)域的遙感影像中看出實(shí)際的地形情況，可以看出水面置平效果很顯著，如圖13所示。

圖11原始LiDAR數(shù)據(jù)生成的DEM(有空洞)

圖12 LiDAR數(shù)據(jù)處理后生成的DEM

圖13 研究區(qū)域的遙感影像圖

五、結(jié)束語

本文使用的LiDAR數(shù)據(jù)為2006年12月21日海南省老高原地區(qū)沿海數(shù)據(jù)，中心經(jīng)緯度為108．97°E、18．395°N，數(shù)據(jù)大小約為2．7 MB，范圍約為0．54 km×0．53 km，在此范圍內(nèi)的水面展開研究，建立了一種LiDAR數(shù)據(jù)提取水面范圍的方法，通過將LiDAR數(shù)據(jù)資料應(yīng)用到上述方法中，所得到的置平結(jié)果比沒有處理過的結(jié)果有明顯改進(jìn)，表明了該水面置平方法的有效性。

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