機(jī)載激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)處理研究

梁宏+劉長長

【摘 要】隨著社會的發(fā)展，人們對森林的關(guān)注程度逐漸的提高，對于森林的研究傳統(tǒng)的方法越來越不能夠滿足我們的研究需求，由于森林面積大，植物種類廣，所處地理環(huán)境位置的特殊，在研究的過程中帶來了諸多的不便。在森林研究方面，越來越多的使用到機(jī)載激光雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)。本文利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了DSM和DEM研究，并利用CHM對森林密度、單木參數(shù)等植被參數(shù)進(jìn)行反演研究，可幫助林業(yè)部門準(zhǔn)確、及時掌握森林資源等信息。

【關(guān)鍵詞】機(jī)載激光雷達(dá)；機(jī)載點云數(shù)據(jù)；數(shù)字高程模型；數(shù)字表面模型；冠層高度模型

【Abstract】With the development of society， people's attention to the forest gradually increased， the traditional method of forest research more and more can not meet our research needs， due to large forest area， wide plant species， geographical location of the special ， In the course of the study has brought a lot of inconvenience. In forest research， more and more use of data provided to airborne lidar. In this paper， DSM and DEM were used to study the vegetation parameters， and the vegetation parameters such as forest density and single wood parameters were used to help the forestry department to grasp the information of forest resources accurately and timely.

【Key words】Airborne LiDAR； Airborne LiDAR point cloud data； Digital surface model，Digital elevation model； Crown height model

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們對森林的關(guān)注程度逐漸的提高，對于森林的研究傳統(tǒng)的方法越來越不能夠滿足我們的研究需求，由于森林面積大，植物種類廣，所處地理環(huán)境位置的特殊，在研究的過程中帶來了諸多的不便。隨著機(jī)載激光雷達(dá)的發(fā)展，在森林研究方面，越來越多的使用到機(jī)載激光雷達(dá)提供的數(shù)據(jù)，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)可以為研究需要快速獲取森林地區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM），然后通過濾波的處理，可以得到所需要的森林的數(shù)字高程模型（DEM）。

對于森林的研究，通常對林冠的研究來研究森林的長勢，通過長勢來判斷森林的木材產(chǎn)量，森林的分布立體結(jié)構(gòu)，同時也可以根據(jù)這些參數(shù)來判斷森林的密度，而傳統(tǒng)數(shù)字?jǐn)z影測暈法存在精度低甚至無法滿足要求。利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠獲取樹冠底部地形及樹高信息的高精度數(shù)值。本文利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了DSM和DEM研究，并利用CHM對森林密度、單木參數(shù)以及胸高斷面積和蓄積量等植被參數(shù)進(jìn)行反演研究，可幫助林業(yè)部門準(zhǔn)確、及時掌握森林資源等信息。

1 現(xiàn)狀

盡管目前攝影測量技術(shù)進(jìn)入了自動化數(shù)字?jǐn)z影測量的時代，但是數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)還是存在著很多的缺陷和不足。就目前而言，攝影測量技術(shù)應(yīng)用了很多的現(xiàn)代化高科技手段，但是攝影測量技術(shù)的自動化程度并不是很高，而且在測量的過程中受到諸多因素的限制，比如航攝季節(jié)應(yīng)選擇本攝區(qū)最有利的氣象條件，并要盡可能的減少本地區(qū)地表植物和其他覆蓋物對攝影產(chǎn)生的不良影響，確保航片能夠真實的反應(yīng)地表的細(xì)部，同時既要保證充足的光照度，又要避免過大的陰影。在數(shù)據(jù)處理的過程中，目前仍以人工立體測圖獲取DEM，數(shù)據(jù)生產(chǎn)速度緩慢。因此對于影像的匹配度和精度帶來嚴(yán)重的影響，為成果造成嚴(yán)重的影響。

攝影測量技術(shù)雖然很發(fā)達(dá)，還存在著以上很多的問題，但是隨著機(jī)載雷達(dá)的出現(xiàn)，攝影測量在森林等其他方面的一些測量上所遇到的問題和缺陷得以良好的解決。首先，機(jī)載雷達(dá)通過極坐標(biāo)直接獲取DEM，對紋理要求、對比度無影響。其次，機(jī)載雷達(dá)獲取和處理數(shù)據(jù)周期比傳統(tǒng)攝影測量要短。

利用機(jī)載雷達(dá)技術(shù)獲取森林DEM進(jìn)而獲取森林植被參數(shù)也是當(dāng)下研究熱點。以前，提取森林DEM一直采用的是攝影測量技術(shù)。而攝影測量技術(shù)在提取森林DEM的時候存在很多的缺點及困難，例如外業(yè)控制、影響匹配、立體測圖等方面都有很大的困難，這些問題在立體測圖編輯DEM的時候都會需要人工估計的方法，因此會造成DEM的不準(zhǔn)確，或者造成DEM的精度低，無法滿足生產(chǎn)的需求。

機(jī)載雷達(dá)恰恰與攝影測量技術(shù)相反，它特別適合于森林地區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）的提取，利用一種算法將機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分類，將森林區(qū)域點云分類為樹木、地面激光點云，同時剔除點云中孤立噪點。

2 數(shù)據(jù)處理

通過機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取森林地區(qū)的DSM和DEM，同時可獲取地形信息及樹高信息。后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可對植被覆蓋率進(jìn)行分析，并且可以對植被種類加以區(qū)分甚至還可以檢測植被等生長狀況。數(shù)據(jù)處理的主要步驟分為以下幾步：

（1）對林區(qū)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，獲取地面激光點云，最后得到數(shù)字高程模型。

（2）對濾波后殘留點進(jìn)行人工編輯、人工刪除。

（3）提取林區(qū)DEM

（4）提取林區(qū)DSM。

（5）提取林區(qū)CHM。

數(shù)據(jù)處理由FUSION軟件完成。FUSION提供的主界面由圖形顯示窗口和控制窗口組成。FUSION顯示器使用典型的地理信息系統(tǒng)的2D顯示屏顯示所有項目數(shù)據(jù)。它支持各種數(shù)據(jù)類型和格式，但要求使用相同的投影系統(tǒng)和測量單位對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行地理參考。

數(shù)據(jù)處理過程如下：

首先打開Fusion軟件，點擊Image加載圖像，加載后分別在加載測區(qū)等高線，將等高線加載進(jìn)去后，然后再將地表裸露模型加載進(jìn)去，同時設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，所有的數(shù)據(jù)加載進(jìn)去以后，左擊加載進(jìn)去的數(shù)據(jù)，拉框選擇一塊區(qū)域，在LDV中將其點云數(shù)據(jù)顯示出來，然后利用等高線可以生成DEM，按快捷鍵Alt+U即可生成DEM，生成DEM后，我們可以利用DEM生成冠層表面模型（DSM），首先我們點擊工具，建立DSM冠層表面模型，設(shè)置參數(shù)，選擇創(chuàng)建模型，生成冠層表面模型。在Fusion中，使用CanopyModel可執(zhí)行文件從命令行界面創(chuàng)建樹冠表面模型。在DOS提示符下鍵入Canopymodel，最終生成所需的CHM。

3 結(jié)束語

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是目前提取信息技術(shù)途徑的關(guān)鍵之一。西方國家在此技術(shù)上已發(fā)展出多種商業(yè)化硬件平臺和數(shù)據(jù)處理軟件平臺，同時在數(shù)據(jù)算法上進(jìn)行了大量研究并成功應(yīng)用于多個實際領(lǐng)域。因此機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的使用和數(shù)據(jù)處理值得我們長期關(guān)注。本文的目的是熟悉和了解機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)處理流程，并且對目前的數(shù)據(jù)濾波方法進(jìn)行了分析，并將數(shù)據(jù)應(yīng)用于森林地區(qū)，利用該數(shù)據(jù)，最終提取出了森林實驗區(qū)的數(shù)字高程模型（DEM），利用提取的數(shù)字高程模型（DEM）提取了該森林地區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM），同時在利用數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）的情況下提取了冠層高度模型（CHM）。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理算法的研究，最終目的都是為了更好的生產(chǎn)和靈活的應(yīng)用，相信隨著研究的更加深入，也會為我國的森林研究帶來更多的技術(shù)便利。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint