LAS Version 2.0数据格式解析

周晓明,唐德瑾,马秋禾,杨靖宇

(1.信息工程大学 测绘学院,河南 郑州 450052;2.矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,河南 焦作 454000;3.北京61135部队,北京 102211)

LAS Version 2.0数据格式解析

周晓明1,2,唐德瑾3,马秋禾1,杨靖宇1,2

(1.信息工程大学 测绘学院,河南 郑州 450052;2.矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室,河南 焦作 454000;3.北京61135部队,北京 102211)

利用表格分析的方式,对比激光雷达系统(L IDAR)标准文件格式LASversion 2.0与旧版本verison1.1之间的异同,分析2.0版本的新特性,便于对LAS格式的理解和应用。新的定义标准更加适应L IDAR硬件间的通用性,给予用户更多的扩展空间,为L IDAR系统的应用提供高质量的文件交换基础。

L IDAR;LAS;头文件;变长记录;元数据块

机载激光雷达(Light detection and ranging, L IDAR)是近年来新发展的一种集激光扫描仪、GPS以及惯性导航系统(INS)于一体的新型主动式遥感系统,通过对扫描激光测距(SLR)技术,结合GPS和INS测得的传感器位置和姿态信息来获取地面目标的三维坐标,在高精度DEM获取,道路、电力线测绘、森林参数测量、城市建模等领域,有着广泛的应用。

L IDAR系统采用激光扫描的方式获取回波信号,采集离散脚点信息,激光频率从几十到上百千赫,而且由于激光脉冲具有穿透作用,一束激光束能够穿透树叶等物体直接到达地面,这样在一次扫描过程中可以收到多次的回波信号。因此,L IDAR数据具有海量存储,回波信号属性信息丰富的特点。目前国际上采用的L IDAR数据存储格式包括ASCII文本、栅格以及二进制格式等等。由于ASCII文本数据占用空间大,数据长度很难固定,不容易建立索引,栅格文件需要对不规则的离散激光点进行内插损失精度等等,都不是目前的标准L IDAR商业数据文件格式。统一L IDAR文件格式主要由 ASPRS下面的L IDAR委员会(ASPRS L IDAR Committee)负责,制定了标准的L IDAR二进制文件交换格式LAS文件。LAS文件格式于2002年首先确定第1个版本(1.0),此后不断地更新完善发展了1.1版本(2005-03-07)和目前最新的2.0版本(2007-05-01)。LAS Specification Version 2.0 PROPOSAL对原有的文件格式缺陷做了补充,同时又增加了一些可拓展的数据头文件,以满足用户新的需求。

1 LAS 2.0文件的主要结构

LAS version 1.1中将L IDAR文件结构分成3个部分,分别是公共文件头,变长记录和L IDAR真实三维点集坐标数据(见图1(a))。这样组织的好处是在文件头部分可以用来记录数据的一些基本信息,如点数、数据范围等等。而在变长记录中存储数据的投影信息,元数据信息及用户自定义信息等。最后的点集坐标数据就是L IDAR真实的地物三维数据。LAS version 2.0在1.1的基础上拓展了数据规范,这种拓展向用户提供一种更加开放的格式,它增加了点记录元数据块,将地物点的属性统一在这部分描述,同时加入了用户自定义的许可,用户可以按照规范增加自己需求的文件格式,是LAS中比较灵活的部分。图1列出了这两种版本格式的异同。

1.1 头文件(File Header Block)

头文件(File Header Block)是所有LAS文件必须有的,它记录整个文件数据集的公共部分,如L IDAR点的来源、数据生产的日期、点的数量、数据范围和数据偏移缩放系数等等。由于一个LAS文件可能是由硬件扫描器直接采点生成的,也可能是对现有的L IDAR数据进行提取、融合、修改后得到的,因此,这个公共文件头还记录了LAS文件的生成方式。这个文件头在版本1.1中被定义成public header block。其实质内容是一致的,不同是在最新的版本2.0中扩展了一些内容,由于在头文件中设置了LAS格式版本信息,因此,商业L IDAR软件会自动识别出LAS数据的版本,也会相应地针对不同的版本文件格式变换数据读取方式,以达到数据版本格式兼容的目的。表1是2.0版本中LAS的头文件,部分选项作者加入了中文说明。

图1 LAS文件内容

表1 LAS头文件说明

文件中坐标缩放系数Xscale、Yscale、Zscale,坐标偏移量Xoffset、Yoffset、Zoffset是很重要的参数,知道这些数值后,L IDAR点云数据的真实大地坐标就可以采用下面的公式得到:

1.2 点记录元数据块(Point Record Metadata Block)

这是LAS version 2.0与之前1.1版本一个很大的不同,这个元数据记录块实际上是LAS中的第1个可变长度记录,它定义了点记录的内容和格式。在2.0版本中,这个格式是可以由用户自己定义的一种点数据结构,这样就拓展了LAS文件的用户需求,使得文件格式规范且具有很大的灵活性。文件中所有的定义格式都是以“LASF_”开头的。在这部分文件中,如果用户是自己扩展点记录格式,但之前要向LASStandards Group(lasformat.org)委员会得到一个许可,以保证用户记录格式的唯一性。同时文件一定是以“LASF_END”结束的。表2是一个点记录元数据块的标准文件样式,它规范了数据的记录内容和方式,后面的真实点云数据(PO IN T DA TA)即按照这种方式进行存储。

表2 LAS点记录元数据块

其中CLASSIFICA TION这个文件定义了激光点数据的物体类型,对用户来说是一个比较重要的点属性信息文件。如果这个点的属性什么也没有定义,那么需要设置成0值。这个数据类型一般是不能由用户自己定义的。如果需要自己定义点分类类型,那么需要在头文件以及后面一系列的文件头中更新数据信息完成新类型的增加。比较常见的点类型如表3所示。

表3 ASPRS标准L IDAR点分类类型

在点记录元数据块中还包含了扫描机器的信息A IRBORNE SCANNER PACKET,以及点来源信息等,如原始文件是航空航线(一个航线一个文件)文件或者是由一系列文件组成的,那么这个文件ID就等于这个航线数。LAS version 2.0定义这样一个文件的主要目的就是为了增加点坐标的一些属性信息,例如点的回波强度,点数据的物体类型,一些传感器的硬件信息,以及 GPS信息和波段信息等等。在 version 2.0 specification中,列举了一个Point Reco rd M etadata Block信息的例子,用户可以根据这个例子信息掌握这部分文件的内容。例子如下:“LASF_POSIX_Time”,“R8”,“LASF_X”,“R4”,“LASF_Y”,“R4”,LASF_Z”,“I4”,“LASF_Intensity”,”U I1”“LASF_Classification”,“U I1”,“LASF_A TTIBU TES”,“U I1”,“LASF_Return_ PACKET”,“U I1”,“LASF_Point_Source_ID”,”U I4”,“LASF_END”

2 变长记录Variable Length Reco rds

在LAS version 1.1中,变长记录用来记录元数据的投影以及自定义信息等,是LAS格式中比较灵活的部分。每条变长记录包括固定的变长记录头和灵活的扩展域两部分。这个文件的大小是固定的54bit。在2.0中,这部分功能没有大的变化,只是文件大小变成了58bit。

2.1 Variable Length Reco rd Header变长记录头文件

头文件主要记录了变长记录的一些公共信息,主要内容见表4。

表4 Variable Length Record Header变长记录头文件

2.2 Georeferencing Information

这部分主要是存储数据的地理信息,和1.1版本一样地理参考信息采用的是 Geo TIFF中的域的方式管理的,用户可以参考有关Geo TIFF的文献进行理解和掌握。

3 结束语

LAS version2.0和之前的1.1版本都是记录L IDAR点数据格式的,其主要区别在于2.0版本中增加一个点记录元数据块(Point Record Metadata Block),它事先定义了真实L IDAR点数据存储格式,并规范了点数据的属性信息,用户可以从这部分中知道整个文件的存储结构。同时用户可以在这个文件中自己扩展需要的点数据的存储方式,解决用户的需求。而1.1版本是在所有的头文件结束后,在真实点数据直接添加点的属性信息,没有事先单独记录点集的文件格式。文件的拓展空间也主要集中在变长记录中,相比较改进的2.0版本,有一些缺陷。规范而灵活的LAS文件可以适应成熟的商业L IDAR软硬件,在通用性和实用性上有很大的优势,是L IDAR发展的必然选择。

[1]尤红建.激光三维遥感数据处理及建筑物重建[M].北京:测绘出版社,2006:2-5.

[2]舒宁.激光成像[M].武汉:武汉大学出版社,2005:81-87.

[3]张靖,高伟.LAS格式解析及其扩展域的应用[J].测绘科学.2008,33(6):154-155.

[4]LAS Specification Version 1.1[M].March 07.2005,7.

[5]张小红.利用机载L IDAR双次回波高程之差分类激光脚点[J].测绘科学,2006,31(4):48-50.

[6]隋立春,张宝印.Lidar遥感基本原理及其发展[J].测绘科学技术学报,2006,23(2):127-129.

[7]刘修国,花卫华.Geo Tif中 Geo Tag域解析[J].地球科学:中国地质大学学报,2002,27(3):246-249.

LAS Version 2.0 Data Formatsanalysis

(1.Institute of Surveying and Mapping,Info rmation Engineering University,Zhengzhou 450052,China;2.Key Laboratory of M ine Spatial Information Technologies,State Bureau of Surveying and Mapping,Jiaozuo 454000,China;3.Troop 61135,Beijing 102211,China)

ZHOU Xiao-ming1,2,TANGDe-jin3,MA Qiu-he1,YANG Jing-yu1,2

The paper,the fo rm of the w ay,compared the similarities and differences of laser radar system (L IDAR)standard file fo rmat LAS version 2.0 and o lder versions verison1.1.It analyzed the new features of Version 2.0 facilitate the reader’s understanding and app lication of LAS fo rmat.The new definition of the standard ismore adap ted to the L IDAR hardware commonality,giving the user mo re room for expansion and quality document exchange for the L IDAR system app lications.

L IDAR;LAS;file header;variable length records;metadata block

TP391;P237

A

1006-7949(2010)04-0043-04

2009-10-27

矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室开放基金资助项目(KLM 200904)

周晓明(1982-),男,博士研究生.

[责任编辑:刘文霞]