基于激光点云数据制作DEM的方法研究

基于激光点云数据制作DEM的方法研究

王笑赤郭立群王睿

辽宁大连116023

摘要：机载激光雷达(LiDAR)测量技术已经成为测取高精度空间数据的有效方法。机载LiDAR的主动式遥感测量,对天气条件要求较低,获取的高时间分辨率与空间分辨率的点云数据能为高精度数字高程模型(DEM)的制作提供可靠的数据基础。本文结合机载LiDAR技术应用于某市地理国情普查市情专项———高精度地表模型制作项目中，构建规则格网1：2000比例尺的高精度DEM模型。

关键词：激光点云；DEM；方法

1DEM表达方法

（1）离散点模型。用一系列离散的测量点坐标描述地形起伏的方法。由LIDAR点云滤波(去除地物点)后得到的离散点就可以表达地形的高低起伏，它是数字高程模型中最简单的方法。（2）不规则三角网模型。由一系列离散的地面点按照一定的规则生成的连续的，互不重叠的数据表达方式。它不仅需要存储三维点坐标，还需要存储三角形之间的拓扑关系。（3）规则格网模型。规则格网DEM是指在X和Y方向上按等距离方式将地形表面划分成一系列规则格网单元，每个格网单元对应一个高程值，格网的高程值通过格网周围的地形采样点内插得到。基于格网的表达方式在存储和操作方面既简单又有效，易于进行各种运算和操作。（4）混合模型。既采用不规则三角网，又采用规则格网的数据表达方法描述地形情况。KrausandOtepka采用了一种TIN和规则格网混合的数据模型来表达复杂地形和简单地形。离散点模型缺失数据间的拓扑关系，不利于数据的后续处理和分析;不规则三角网能较好的表达地形信息，但是其数据结构复杂，需要以较大的空间保持其拓扑信息。混合模型虽然综合了规则格网和TIN的优缺点，在地形建模中具有较好的效果，但这一方法增加了模型复杂度。

2基于激光点云数据制作DEM的方法

2.1数据预处理

点云数据预处理利用LiDAR_Suite对海量机载LiDAR点云数据多种方式的工程分块组织和管理，对点云数据进行航带拼接、分块处理，利用软件宏处理功能，将滤波分类等功能模块成功加载到主程序框架上，按一定的顺序执行相关功能，把它们封装到一个宏上面。对点云数据进行批处理，按照后续数据生产单元进行数据提供。

2.2点云滤波

从激光脚点数据点云中提取数字高程模型(DEM)，需要将其中的地物数据脚点去掉，这就是所谓的激光雷达数据的滤波。目前，用于机载LiDAR测量数据滤波的方法绝大部分都是基于三维激光脚点数据的高程突变等信息进行的，概括来讲，大致可分为形态学滤波法、移动窗口法、高程纹理分析法、迭代线性最小二乘内插法、基于地形坡度滤波等几种。Terrasolid软件的滤波算法首先按照一定的窗口区域，选取区域内少量的最低点作为地面种子点组成初始的稀疏不规则三角网，然后对点云数据中的点进行判断，如果该点到三角面的垂直距离及角度小于设定的阈值，则认为该点为地面点，加入到地面点集合。接着用所有确定的地面点重新计算不规则三角网，然后再对非地面点集合中的点进行判断，如此迭代，直至不再增加新的地面点为止。这样便能分离出地面点集合。

2.3点云数据人工编辑处理

（1）在自动分类的基础上，通过人机交互编辑，获取精细的地面点。在人机交互编辑地面点云时，为了方便观察点云信息，只显示地面点数据，同时对其进行渲染操作；在对某一具体地物无法判别时，可以显示未分类点或剖面显示来辅助判别地物。针对不同地物或地形，运用不同编辑工具对点云进行修正。（2）对于复杂的建筑物地基，使用矢量加点方法修正；对高于或低于地表的少量点进行局部编辑滤波；对与地面平齐的桥梁或小路漏损、山坡上由于地形及树木形成的多毛刺现象，使用局部编辑（平面、曲面或Tin）滤波算法修正。（3）水体对激光的吸收作用，清澈水系（如江流、湖泊）没有回波信息，缺少点云导致水面的不平整现象，采用矢量加点方式修正；江流、湖泊等由于水中船只、漂浮物导致的水面高低不平现象，使用矢量约束方式修正DEM。

2.4数据内插

激光点数据经过过滤去除地物点后产生了一些空缺点,如建筑物底部,那么需要将建筑物位置上地面点的高程补充上,以建立完整的地面高程模型;加之原始数据排列不规则,为获得规则网格的DEM,内插过程必不可少。在平地附近,线性插值与非线性插值生成的DEM差别不大;而在山区,非线性插值要比线性插值法产生的DEM精度高。本文采用5次多项式非线性内插方法内插出规则网格点上的高程,最终产生采样网格大小为1m×1m的DEM。同样办法可利用所有激光点数据生成数字地表模型(DigitalSurfaceModel,DSM)。激光点数据经过过滤处理后,有效避免了地物信息对真实地形状况的影响;由地面点生成的DEM反映出了较细致的地形纹理,且对细部特征具有较强的表现力。

2.5DEM构建与评价

DEM主要基于TIN格网构建，即对于滤波分类的地面点云数据?利用ArcGIS软件创建TIN构建约束三角网模型，并进一步生成规则格网Grid格式的DEM数据。

3试验与分析

3.1试验数据

本文试验数据采用高精度地表模型制作项目所实施的机载激光雷达航飞数据，具体试验区为某地区三面环山、地形北高南低采用传统测量方法获取高精度DEM数据需要大量的人力物力投入。该区域LiDAR数据采用蝙蝠机载激光雷达水文/陆地测量系统，以运-12固定翼飞机作为飞行平台,点云密度为每平方米不少于6个点,影像分辨率优于20ｃｍ,要求制作1:2000比例尺精度的DEM成果。图1为获取的机载激光点云数据。?

3.2试验结果与分析

利用TerraSolid软件对试验区激光点云数据进行预处理、滤波与分类、点云数据内插，最后得到DEM。图2为所有激光点云形成的DSM。对于DEM成果质量，内业采用人机交互检查的方法检查发现，点云数据存在的少数漏分或错分现象，外业采用实测并与1:500地形图比对的方式检查DEM的精度情况。检测结果表明:采用本文技术路线制作的DEM中误差小于10ｃｍ，满足项目设计的要求。

4结语

本文主要介绍了利用LiDAR激光点云数据制作高精度DEM的方法，试验表明?本文的技术路线能够满足现阶段城市大比例尺DEM生产的需要，该方法正确可行?成果质量优良，满足测绘产品的要求。利用点云数据能更好地反映地形地貌的真实形态，极大地提高了测绘产品生产工作效率和产品质量，LiDAR技术及方法研究推广意义重大。

参考文献

[1]基于机载LiDAR点云数据的高效自动分类生产技术研究[J].李锡伟,朱雪丹.测绘与空间地理信息.2016(06)

[2]基于森林地区LiDAR点云数据的DEM提取[J].张齐勇.工程勘察.2015(05)

[3]基于LIDAR数据的DEM规模化生产关键技术研究[J].田耀永,李小娟.测绘与空间地理信息.2013(01)