基于VTK的机载LiDAR点云数据的可视化

张震 ，张硕，马召恒

(1.山东科技大学测绘科学与技术学院，山东 青岛 266510; 2.河南省地矿局第二地质勘察院，河南 许昌 461000)

1 引 言

进入新世纪以来，随着“数字地球”、“数字城市”的不断发展，传统的摄影测量技术由于其生产周期长、费用高、效率低等缺点，已经不能满足信息发展的需要。LiDAR 作为测绘领域一项具有革命性的成就之一，通过几十年的发展，如今的LiDAR 技术日趋完善，它正广泛应用于测绘领域的各个方面。相对于欧美国家成熟的LiDAR 技术来说，我国目前在这方面的研究和应用还处于刚刚起步的阶段，相关的数据处理方法还处于技术探索和发展的阶段。

为了能有一个同一的标准，2003年美国摄影测量与遥感(ASPRS)协会下的LiDAR 委员会发布了主要面向机载LiDAR 数据的标准格式LAS。可视化工具包(Visualization Toolkit，VTK)是一个面向对象的可视化类库，由于其功能强大、方便使用以及源代码开放等特点，它被广泛用于可视化工具的开发领域中。本文以2009年发布的LAS 1.3 为基础，通过对其数据格式的解析与分析，在挪威TrollTech 公司开发的Qt 平台上，结合VTK 技术，以C++为开发工具，实现了对LAS文件中的点云数据的快速读取显示，为后期对LiDAR数据处理奠定了初步的基础。

2 机载LiDAR 技术概述

2.1 机载LiDAR 系统组成

机载LiDAR 系统是一个集多种电子设备于一身的集成系统。其主要组成包括:①激光测距仪，发生激光脉冲并接受回波;②动态差分GPS，用于确定扫描中心的空间位置;③惯性测量单元IMU，确定扫描仪的姿态;④高分辨率的数码相机，与激光扫描仪同步获取航空影像。

2.2 机载LiDAR 技术工作原理

(1)激光测距原理

激光测距的基本原理是利用光在空气中的传播速度已知这一特性，测定光波在被测距离上往返传播的时间来求得距离值。它主要采用两种测距原理，即脉冲激光测距和连续波激光测距。由于连续波激光测距雷达的平均发射功率较低，测距能力比相应的脉冲激光雷达测距差很多，所以当前大多数雷达系统都采用脉冲激光测距来测量距离。

(2)机载LiDAR 技术对地定位原理

假设地理空间中一点O 的三维坐标(X0，Y0，Z0)已知，求出这一已知点到待定点A(XA，YA，ZA)的向量P(模，方向余弦)，则A 点的坐标可以根据O 点坐标与向量P 求出，如图1所示。

图1 机载LiDAR 技术对地定位原理

XA=X0+△X

YA=Y0+△Y

ZA=Z0+△Z

其中:

△X=FX(Φ，ω，Κ，θ，S)

△Y=FY(Φ，ω，Κ，θ，S)

△Z=FZ(Φ，ω，Κ，θ，S)

已知点O 的三维坐标(X0，Y0，Z0)由GPS 提供;方向余弦由观测平台的法线的俯仰角Φ、侧滚角ω、航偏角K 及观测方向与法线间夹角θ 组成的矢量矩阵求出，观测平台法线的Φ，ω，K 由姿态装置给出;矢量的模S 由激光测距仪给出，上述X0，Y0，Z0，Φ，ω，K，θ，S已知，那么任意测定点A 的三维坐标(XA，YA，ZA)即可求出。

3 机载LiDAR 数据格式及特点

3.1 机载LiDAR 数据格式

机载LiDAR 数据一般有两种格式:一种是ASCII格式，这种格式的数据便于读取，但是它没有压缩，Li-DAR 数据通常都是海量数据，存储和处理起来占用的内存较大;另一种是目前国际上通用的机载LiDAR 数据的标准格式LAS，LAS 数据格式文件采用的是二进制格式，包含更多的信息，占用的内存空间相对较小，LAS 标准格式是由美国摄影测量与遥感协会2003年开始发布的，经过改进，目前已有5 种版本，分别是LAS1.0，1.1，1.2，1.3，2.0，其中LAS1.3 版本是最常见到的数据格式。

3.2 LAS1.3 数据格式特点

LAS1.3 数据格式由二进制数据组成，包含一个头文件区，变长记录区和点记录区。头文件区包含一个公共区，后面紧接着变长记录。公共区块包含一些描述数据整体情况的记录，比如点记录数，坐标边界。变长记录包含一些变长类型数据，有投影信息，元数据，波形数据包信息和用户应用数据。如果包含波形数据包的话，那么它位于所有点数据记录的末尾。它被放置在该处以方便对它的分离或实体化。该记录是一个扩展变长记录(EVLR)。EVLR 的存储格式为无符号超长整型，允许存储比一个变长记录更多的信息。

4 可视化工具包VTK

VTK 是一个用于3D 计算机图形学、计算机图像处理以及可视化应用程序的设计与开发，同时可以免费获取，开放源代码的独立类库。它包括两个基本的子系统:一个是已经编译好的C++类库;另一个接口层，提供了支持Java，Tcl 和Python 等解释性语言的接口。VTK 支持多线程，分布式运算，可支持多种用户交互方式，支持事件/观察者(Command/Observer)用户事件处理模式并提供包括点(Point)，线(Lines)和三角网(Triangle Strips)等多种基本绘制图元，它可以在Windows，Linux 和Unix 等平台下的多种编程调用，所以它被广泛用于可视化工具的开发领域中。

4.1 VTK 的功能分类

由于VTK 的类库特别庞大，所以根据各个类在类库中的作用，将类库中的类分成如下几部分:公共部分(Common)、图形处理部分(Graphics)、图像处理部分(Imaging)、文件读写部分(IO)、绘制部分(Rendering)、数据转换部分(Filtering)等，每部分被编译成相应的动态连接库。各部分在类库中的层次如图2所示。

图2 VTK 类库中的层次

4.2 VTK 可视化管道

VTK 是在OpenGL 函数库的基础之上，采用面向对象的方法发展起来的，它有两种不同的方式:图形模型(Graphics Models)和可视化模型(Visualization Models)。图形模型是三维图形的抽象，侧重于对图像、图形的操作和处理;可视化模型是可视化过程中数据流程的模型，侧重于在可视化过程中的数据流。VTK 可视化管道图如图3所示。

图3 VTK 可视化管道图

5 机载LiDAR 点云数据的可视化

Qt 是由奇趣科技开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI 程式，也可用于开发非GUI 程式。Qt 的良好封装机制使得Qt 的模块化程度非常高，可重用性较好，同时它支持2D/3D 图形渲染和OpenGL，这对于用户开发来说是非常方便的。现有2010年获取的位于焦作市西北约30 km 处的太行山区部分机载LiDAR 点云数据作为实验数据，其数据格式为LAS 1.3。在Qt 平台上，结合VTK 技术，以C++为开发工具，即可实现这片区域点云数据的可视化(如图4所示)。其主要可视化程序设计过程如下:

图4 太行山区部分LiDAR 点云数据的可视化

(1)获取点云数据

vtkPoints* pPoint=vtkPoints::New( ) ;

vtkPolyData* pdata=vtkPolyData::New( ) ;

pdata－＞SetPoints( pPoint) ;

(2)设置颜色表中的颜色

vtkLookupTable* pColorTable=vtkLookupTable::New( ) ;

pColorTable－＞SetHueRange(0，1) ;

pColorTable－＞SetNumberOfColors(225) ;

pColorTable－＞Build( ) ;

(3)创建映射器mapper 及演员actor

vtkPolyDataMapper* mapper=vtkPolyDataMapper::New( ) ;

vtkActor* actor=vtkActor::New( ) ;

mapper－＞SetInput( pdata) ;

actor－＞SetMapper( mapper) ;

(4)创建渲染器ren 及显示窗口renwin

vtkRenderer* ren=vtkRenderer::New( ) ;

vtkRenderWindow* renwin=vtkRenderWindow::New( ) ;

ren－＞AddViewProp( actor) ;

renwin－＞AddRenderer( ren) ;

renwin－＞SetSize(800，800) ;

(5)创建交互窗口inter 及点云数据可视化显示

vtkRenderWindowInteractor* inter = vtkRenderWindowInteractor::New( ) ;

inter－＞SetRenderWindow( renwin) ;

inter－＞Initialize( ) ;

inter－＞Start( ) ;

6 结 论

机载LiDAR 作为一种新兴的现代化测量技术手段，它可以快速获取地面地物的三维数据，得到点云数据。由于点云数据处理起来相对比较麻烦，笔者通过对机载LiDAR 点云数据标准格式的研究，基于VTK 技术编程实现了点云数据的快速读取显示，有助于后期生成DEM，三维建模等进一步的研究。

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