運(yùn)用LiDAR點(diǎn)云快速精確生成帶狀水域DEM的方法

陳建城

(寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,寧夏 銀川 750004)

0 引言

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作為一種反映地表起伏形態(tài)的精細(xì)基礎(chǔ)測(cè)繪成果,它在城鎮(zhèn)化建設(shè)、數(shù)字城市、軍事等領(lǐng)域均扮演著極其重要的角色[1-6]。我國(guó)山區(qū)面積相對(duì)遼闊,有山之處必有江河。然而,水域DEM的生產(chǎn)在整個(gè)DEM的制作過(guò)程中是非常煩瑣的,它需滿足質(zhì)量檢查中的兩個(gè)基本要求:1)水域與其周邊地貌過(guò)渡的一致性,高程異常不可過(guò)大;2)在水域DEM內(nèi)部,面狀斑塊水域應(yīng)高程統(tǒng)一,水面平整,帶狀水域表面要自然平滑過(guò)渡[7-10]。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中,水域部分是在最后DEM的基礎(chǔ)上,對(duì)水域進(jìn)行DEM編輯與重置,小面積的塊狀水域,其高程為一固定值,做單一水面置平處理即可,制作相對(duì)簡(jiǎn)單,而帶狀、長(zhǎng)距離的河流,則具有一定的高差,要保證其從上游至下游水域表面自然平滑過(guò)渡,是極其困難的,需要參與大量的手工操作與細(xì)致化處理,生產(chǎn)效率低下,嚴(yán)重制約了DEM數(shù)字化成果生產(chǎn)的進(jìn)度。本研究基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云原始數(shù)據(jù),通過(guò)分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對(duì)空間位置結(jié)構(gòu),著重探討了水域邊界線的程序自動(dòng)識(shí)別、水域內(nèi)部點(diǎn)云修復(fù)的處理方案,最后通過(guò)對(duì)某4.6 km長(zhǎng)的河流進(jìn)行了測(cè)試,在帶狀水域點(diǎn)云修復(fù)與DEM的生成中,獲得了較好的測(cè)試效果,大大提高了帶狀水域DEM的制作效率。

1 帶狀水域點(diǎn)云修復(fù)方案

如上所述,水域DEM部分的最終質(zhì)量需滿足如下兩個(gè)基本要求[11-12]:一是水域與其周邊地貌過(guò)渡的一致性,高程異常不可過(guò)大;二是在水域DEM內(nèi)部,帶狀水域表面需做到自然平滑過(guò)渡。在長(zhǎng)距離的河流區(qū)域,其上游與下游高程差異非常明顯,要滿足帶狀水域DEM表面自然平滑,需內(nèi)插、修復(fù)高程數(shù)據(jù),即在生成DEM之前,對(duì)原始點(diǎn)云的帶狀河流區(qū)域內(nèi),進(jìn)行點(diǎn)云修復(fù)。當(dāng)然,若提高生產(chǎn)效率,應(yīng)通過(guò)算法、程序完成。該過(guò)程涉及兩個(gè)獨(dú)立處理環(huán)節(jié):一是原始點(diǎn)云中快速完成對(duì)數(shù)據(jù)的搜索,并識(shí)別水域,提取水域邊界線;二是對(duì)水域邊界范圍內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)云修復(fù)處理。其綜合處理算法與流程如下所示。

1.1 水域邊界線的提取

針對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),快速識(shí)別其中水域邊線,是后期進(jìn)行點(diǎn)云修復(fù)的第一步,因此,如圖1所示,水域邊界線的提取方案如下:

1)獲取原始點(diǎn)云LAS數(shù)據(jù),對(duì)原始數(shù)據(jù)標(biāo)記點(diǎn)云識(shí)別碼并進(jìn)行備份,用于后期的數(shù)據(jù)替換,把其中一份原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行零高程面投影,投影后構(gòu)建不規(guī)則TIN三角網(wǎng),如圖2(a)所示。

2)針對(duì)投影后構(gòu)建的TIN三角網(wǎng),計(jì)算各三角形外接圓半徑,并賦值唯一標(biāo)識(shí)碼“unvisitied”,由于水體對(duì)機(jī)載激光信號(hào)具有較強(qiáng)的吸收作用,因此機(jī)載LiDAR在水域中并無(wú)點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在,所以,根據(jù)三角形外接圓半徑的大小不同,以區(qū)分地表點(diǎn)與水域空洞,即當(dāng)TIN三角網(wǎng)外接圓半徑大于初始閾值時(shí),則判為水域,此時(shí)該三角網(wǎng)保留并重新進(jìn)行編號(hào),編號(hào)示意如圖2(b)所示,反之,判定為普通地表、地物點(diǎn),同時(shí)更改三角網(wǎng)屬性標(biāo)記“unvisitied”為“visitied”。

3)判斷是否存在標(biāo)識(shí)碼“unvisitied”,若有,則重復(fù)第2)步,若無(wú),則進(jìn)行下一步。

4)對(duì)上述步驟識(shí)別后的水域三角網(wǎng)進(jìn)行合并處理,設(shè)定合并后的多邊形編號(hào)。

5)記錄水域多邊形各個(gè)節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼,根據(jù)此識(shí)別碼提取備份數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)云,串聯(lián)點(diǎn)云形成水域多邊形邊界線(如圖2(c)所示),同時(shí)提取各節(jié)點(diǎn)高程值Hi。如為塊狀水域,則對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行點(diǎn)云內(nèi)插,內(nèi)插值統(tǒng)一為邊界節(jié)點(diǎn)最低高程值,如圖2(d)所示。

1.2 帶狀水域點(diǎn)云修復(fù)

在帶狀水域點(diǎn)云修復(fù)環(huán)節(jié)中,主要分為兩個(gè)處理步驟:一是對(duì)具有范圍邊界線的帶狀水域提取中心線;二是依據(jù)流向中心線內(nèi)插、修復(fù)高程點(diǎn),具體修復(fù)方法如下:

1)依據(jù)上述帶狀水域多邊形邊界線,提取帶狀水域中心線。首先,根據(jù)水域邊界點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN三角網(wǎng),如圖3(a)所示。

2)采用“TIN中點(diǎn)法”計(jì)算其中心點(diǎn)坐標(biāo)。如圖3(b)所示,三角形ABC,3個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc),計(jì)算、對(duì)比3條三角形邊長(zhǎng),確定最短邊長(zhǎng)BC,取其中點(diǎn)L1(x1,y1),由L1(x1,y1)及其對(duì)角點(diǎn)A(xa,ya)解算中線AL1中點(diǎn)O1,以此類推,遍歷所有水域范圍內(nèi)Delaunay三角網(wǎng),計(jì)算各短邊中線中點(diǎn)坐標(biāo)Oi(xi,yi)。

3)按一定順序連接各中心點(diǎn)Oi(xi,yi),形成帶狀水域中心線,如圖3(c)所示。

4)依據(jù)水域中心線,進(jìn)行分段內(nèi)插高程點(diǎn)。根據(jù)圖3(c)各三角網(wǎng)短邊對(duì)應(yīng)中心點(diǎn),布設(shè)中線分段內(nèi)插種子,如圖4(a)所示,點(diǎn)云修復(fù)時(shí),計(jì)算水域多邊形邊界點(diǎn)距各種子的距離,以種子為中心形成聚類分區(qū),其效果如圖4(b)所示,每種顏色區(qū)塊代表一個(gè)聚類分區(qū),其高程決定于該分區(qū)邊界高程最小值的點(diǎn)云數(shù)據(jù),取該最小值作為該分塊區(qū)域的水面高程值。

5)至此生成的帶狀水域DEM為階梯狀帶狀DEM,若要做到水域內(nèi)部自然平滑過(guò)渡,則需對(duì)每相鄰兩塊點(diǎn)云高程作“高斯加權(quán)平滑處理”。即計(jì)算每個(gè)點(diǎn)云一定鄰域范圍內(nèi)的高程值的反距離加權(quán)平均值作為該點(diǎn)的高程。

2 方案測(cè)試

為了測(cè)試本研究帶狀水域點(diǎn)云修復(fù)方法的效果,我們對(duì)寧夏某河流進(jìn)行了實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集,河流寬約160 m,測(cè)試距離約4.6 km,機(jī)載LiDAR點(diǎn)云采集的數(shù)學(xué)基準(zhǔn)為:中央子午線105°,平面坐標(biāo)為CGCS2000坐標(biāo)系,高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集航高200 m,共飛行5架次,采集點(diǎn)云3 262 681個(gè)?；诒狙芯繋钏螯c(diǎn)云修復(fù)算法,借助C語(yǔ)言,編制了水域邊界線快速識(shí)別、邊界范圍線內(nèi)部點(diǎn)云清除、河流中心線提取以及點(diǎn)云修復(fù)程序。效果如圖5所示,圖5(a)為邊界線提取效果,圖中多邊形紅色為帶狀水域邊界線,圖5(b)為測(cè)試河流水面點(diǎn)云修復(fù)效果,圖5(c)為測(cè)區(qū)DEM成果,同時(shí),為了更為直觀的檢查河流水面的修復(fù)質(zhì)量,我們對(duì)其中心線做了剖面處理,如圖5(d)所示,直觀的顯示出,河流中心上游至下游河流水面的高程變化趨勢(shì),為線性遞減,很好地表現(xiàn)了水面自然平滑過(guò)渡的狀態(tài),圖5(e)為測(cè)區(qū)點(diǎn)云修復(fù)后側(cè)視圖效果,地形、修復(fù)點(diǎn)云等場(chǎng)景表現(xiàn)更為直觀。

因此,從本次測(cè)試案例中可以得知,基于本研究帶狀水域點(diǎn)云快速修復(fù)方案,大大提高了DEM的生產(chǎn)效率,質(zhì)量上亦滿足了DEM相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)范要求,獲得了一次較好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探討機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),引用、改進(jìn)了帶狀水域點(diǎn)云快速識(shí)別與修復(fù)方法,然而,需要說(shuō)明的是,由于水面時(shí)而存在漂浮物,在數(shù)據(jù)采集時(shí),掃到漂浮物后會(huì)形成激光點(diǎn)數(shù)據(jù),因此在對(duì)水域進(jìn)行點(diǎn)云修復(fù)前,需對(duì)水域多邊形邊界內(nèi)的點(diǎn)云做刪除處理;同時(shí),前期在對(duì)點(diǎn)云構(gòu)建TIN三角網(wǎng)前,需將所有點(diǎn)云進(jìn)行“零”高程面處理,是避免高植被點(diǎn)與附近地面點(diǎn)形成較大三角網(wǎng),致使其外接圓半徑大于設(shè)定閾值,被誤認(rèn)為水域邊界,此外,構(gòu)建TIN三角網(wǎng)前不做點(diǎn)云分類處理,若只用地面點(diǎn),則原有建筑物、構(gòu)筑物、高密度植被等所有位置均為點(diǎn)云空洞,同樣會(huì)被程序誤認(rèn)為水域。本研究通過(guò)實(shí)測(cè)案例,對(duì)本研究方案進(jìn)行了測(cè)試,獲得了較好的測(cè)試效果,同時(shí),在該方案的使用中亦獲取了如下兩點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)在初始設(shè)定三角網(wǎng)外接圓半徑時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際點(diǎn)云密度而定,閾值設(shè)定過(guò)大,導(dǎo)致水域邊界粗糙,忽略拐點(diǎn)角度過(guò)大的水域三角網(wǎng);閾值設(shè)定過(guò)小,可將地面TIN誤認(rèn)為水域要素,致使程序識(shí)別精細(xì)度降低。因此,應(yīng)根據(jù)實(shí)際采集點(diǎn)云密度及其空間間距,科學(xué)、合理地確定三角網(wǎng)外接圓半徑閾值。

2)為確保帶狀水域修復(fù)后的DEM表面滿足“自然平滑過(guò)渡”這一質(zhì)檢要求,則需提高前期水域中線種子布設(shè)密度,否則會(huì)導(dǎo)致水域DEM表面形成不平滑臺(tái)階狀。

地表江河眾多,其形狀、特征各異,若使本研究探討方案能夠應(yīng)對(duì)所有帶狀水域,則需后期對(duì)其進(jìn)行大量的測(cè)試與驗(yàn)證,以逐步改進(jìn)、完善該帶狀水域DEM點(diǎn)云修復(fù)方案。