LidarStation在浙江省海岸带区域的DEM生产应用试验

2014-08-15毛卫华徐胜攀左志权

测绘通报 2014年4期

毛卫华，徐胜攀，左志权，黄河

(1. 浙江省测绘科学技术研究院，浙江杭州 310012； 2. 中国测绘科学研究院，北京 100830)

一、引言

与传统的航空摄影测量系统相比，机载LiDAR可以直接获取高精度的地面点三维坐标，具有数据产品生产周期短、自动化程度高、受天气影响小、可以穿透植被等优点，特别适合于进行DEM的生产。目前国际上实用化程度较高的机载LiDAR数据处理软件是TerraSolid，但它在手工编辑时采用二维方式，降低了三维点云的可视化效果，使得点云编辑不直观，同时也不便于检查点云编辑效果。

本文介绍基于国产LidarStation机载激光雷达数据处理软件的三维可视化点云编辑技术方法，讨论在地形、地物比较复杂的情况下，LidarStation三维可视化编辑在DEM生产中的应用，并与主流软件TerraSolid相比较，说明其特色。

二、LidarStation软件简介

LidarStation是由中国测绘科学研究院研制的一款机载激光雷达数据专业处理软件，由LAS文件预处理模块、工程管理模块、可视化与手工编辑模块、综合应用模块等组成，提供了机载LiDAR点云航带平差、点云二维/三维可视化、对点云的查询与手工编辑、断面分析、粗差剔除、滤波、DEM/DSM生成、等高线生成等多种功能。软件良好的操作界面、三维环境下对点云的直观编辑、支持对海量LiDAR点云的流式滤波与DEM/DSM一体化生成等，使得软件具有良好的可操作性和较高的数据处理效率，在同类软件中体现出一定的特色和优势。

三、LidarStation的三维可视化编辑

1. 三维可视化编辑基本原理

点云三维可视化编辑需要解决的核心问题是点云拾取。拾取是交互式图形系统的一项重要功能，是对图形对象进行增、删、改等操作的基础。在三维点云可视化系统中，点云拾取问题就是利用鼠标实时位置捕捉点对象，或利用鼠标所确定的多边形确定落在该多边形内的点集。点云拾取可采用射线交叉法，在三维空间对点云进行相交检测；也可将三维点云映射到二维屏幕上，对屏幕上的点云图像与拾取点或拾取多边形求交。为加速求交过程，可对三维点云按照一定方法进行层次组织，只对存在交集的层次结点进行进一步判断。

2. 三维可视化编辑基本方法

基于三维点云拾取，可以很方便地对点云进行直接编辑，将点由源类(Source Class)分入指定的目标类(Target Class)。可通过LidarStation提供的三维窗口中的可视化编辑工具直接进行，也可对选定区域的点云作剖面，在剖面窗口中，进一步利用点云高程、斜率等信息进行分类。在进行三维点云分类编辑时，可对点云建立Delaunay三角网，并添加光照渲染，借此可以了解地面数字高程模型生成的初步效果和光滑状况，以便实时检测编辑质量，对存在问题的地方进一步编辑，从而达到更好的分类效果。

3. 点云三维实时显示及编辑方式与TerraSolid软件编辑模式对比

LidarStation软件克服了传统LiDAR数据处理软件存在的三维可视化效果差、三维实时编辑能力差、编辑操作繁琐的问题，对点云三维可视化与三维环境实时编辑方式进行了重点攻关，解决了三维环境实时显示与编辑中的关键问题。软件采用四叉树构建三维点云空间索引，并采用顶点缓冲区对象(VBO)与着色器(Shader)实现三维点云实时可视化与复杂效果渲染，通过海量点云拾取算法实现对三维点云的交互式编辑。同时软件提供了三维编辑环境下点云不同可视化效果，实现了按照高程、类别、条带、强度等的多种展示方式，与TerraSolid软件的对比效果如图1所示。

四、LidarStation DEM生产试验

1. 试验区介绍

试验区位于浙江省某海岛城市。岛内植被密集、地形复杂，并有湖泊、海域、港口等，区域面积为1700 m×1700 m，地形高差约为50 m。机载LiDAR数据采集传感器为ALS60。图2为该测区的航测数据示意图。

图1 LidarStation软件(左)和TerraSolid软件(右)点云显示效果展示

图2 测区航测数据示意图

2. LidarStation DEM生产过程

对采集的点云数据首先进行粗差剔除，过滤掉由于电路传输异常、漫反射、飞鸟等产生的噪声点；再进行自动化点云滤波，将三维点云分类为地面点和地物点。对经过自动化滤波后的点云，采用LidarStation的三维可视化与编辑模块进行精细手工编辑，生成高质量地面点云；对地面点云建立Delaunay三角网并栅格化，便能生成高质量DEM。图3为LidarStation的DEM生成流程图，图4为基于此流程的针对测区数据的各阶段生成成果，以及局部地面数据Delaunay三角网可视化效果。

由图4可以看出，原始点云数据的植被、建筑物等都得到有效剔除，DEM表现光滑、质量良好。三维可视化编辑在DEM生产中发挥了关键作用，使得DEM生产取得较好的效果。

五、结束语

本文以浙江沿海某海岛城市的机载LiDAR数据为例，基于中国测绘科学研究院研制的软件LidarStation进行试验，列举了利用机载LiDAR数据生成高精度DEM的过程，并对其特色的三维可视化编辑方法进行了重点阐述。试验结果表明，LidarStation的三维可视化编辑对DEM生产取得了比较好的效果，对行业的点云数据分类和DEM生产具有比较好的借鉴意义。