关于利用机载LiDAR点云数据完成数字高程模型更新的方法和应用研究

郭漫玲 孙文婷 李小梅

摘要：DEM是“数字地球”中非常重要的信息源，涵盖的信息非常丰富、直观、逼真。本文对机载激光雷达、数字高程模型进行简要的阐述，通过机载LiDAR点云数据进行DEM更新的制作方法进行全面性的介绍，并在应用研究方面作简要的探讨。

关键词：机载LiDAR;数字高程模型;DEM

数字高程模型（简称DEM）作为地球空间信息框架的基本内容和其他各种信息的主要载体，是十分重要的基础地理信息产品。DEM描述的是地面高程信息，在测绘、水文、地质、通信、军事等领域有着广泛的应用。

传统方式建立DEM存在精度低、成本高、工期长、自动化程度低的弊端。机载激光雷达（简称LiDAR）是一种主动式对地观测系统，是九十年代初首先由西方国家发展起来并投入商业化应用的一门新兴技术。它集成激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元、全球导航卫星系统技术于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。它具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点。机载LiDAR传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性。随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术在DEM生產方面，已经得到了非常广泛的应用。随着时代的发展，建立数字模型数据库成为国土测绘、城市规划的迫切需求。

一、技术路线及作业流程

具体作业流程如下：1.航飞执行单位提交的机载LiDAR 点云数据按航带存储，数据检查无误后，先利用软件进行航带间消除冗余，再对点云数据按要求进行分块，方便作业。2.软件自动滤波，即将明显低于地面的点或点群、明显高于地表目标的点或点群以及移动地物点等噪音点通过软件进行自动滤除。3.提取地面点，主要是通过反复迭代建立地面三角网模型来分离出地面点。本文根据使用的软件设置相应的参数或算法进行滤波提取地面点。4.在经过软件自动滤波之后，还要进行人工辅助编辑修改来使点云分类更精确。在本文作业实践中，打开DEM模型和同时期影像界面，采用人机交互的方式，对分类错误、漏分的点进行重分类;或以点云剖面为主要依据，建立地面模型来判断激光点的分类是否准确且贴合地形。5.对分类结果进行检查。通过将点云分类显示、高程显示等方法，目视检查分类后点云，对有疑问的地方进一步通过剖面检查、分析。6.处理完成后，对相邻分块之间进行接边处理，使得接边处地面点云无异常，表面模型连续、光滑。7.利用精细分类后的地面点作为特征点进行DEM构建。根据实际情况，选择带有高程信息的特征线、面状水域范围线等参与DEM生成，通过对关键点构三角网，并进行内插处理后，再实现格网对栅格数据的转变，得到地面数字高程模型。由于DEM是按照分块的规格进行处理并生成，因此必须进行接边检查。

人工编辑地物处理要求：

1.人工编辑以剖面为主进行点云精细分类。2.宽度或面积超限的流动水域及静止水面需做水域点精细分类。3.架空物一般只保留地面或水面上的点云数据，悬空部分需分为非地面点。4.拦水坝等底部与地面相接的构筑物，保留其坝体的点云数据。5.城市道路隧道出入口、地下停车场出入口等露天部分的点云数据分为非地面点。6.建筑（群）需进行地基平整处理。

二、软件使用

虽然机载LiDAR有比较成熟的商业系统，但是激光雷达数据的处理系统现今还是相对不成熟的，现在主要使用的软件除了各个硬件公司提供的软件，主要使用的是芬兰Terrasolid。

本文在数据生产试验过程中使用的软件主要有LiDAR_DP软件、Terrasolid及LAS++软件。

航飞执行单位提交的机载LiDAR点云数据按航带存储，数据量庞大，航带消冗、数据分块、自动滤波等可批量进行的操作均可通过LiDAR_DP设置参数或Terrasolid编写算法来实现。

LiDAR_DP还支持人工判别编辑分类、数据接边等精细化操作。作业时可调用多个窗口，参考影像、模型、剖面辅助点云精细化分类，具有功能完整、操作界面清晰、作业成果准确性高等优点。

Terrasolid功能强大但操作繁复，本文实践中主要运用在批量数据预处理、特征线制作及数据接边等工作上。LAS++专业性强，操作简单，但功能单一，只用于点云精细化分类。Terrasolid配合LAS++，两个软件相辅相成各司其职，作业效率高。

本文运用LiDAR_DP或Terrasolid配合LAS++两种作业方式互相配合进行生产试验，在保证成果质量的前提下缩短数据处理时长，大大提高作业生产效率。

三、社会意义

数字高程模型（DEM）在表现地表高程方面非常直观、明了，在有关城市规划、环境监测、防灾减灾、工程建设、土地资源管理等诸多方面都有着广泛的应用前景：

1.DEM可以对遥感数字图，进行几何校正和正射纠正。

2.DEM可自动派生描述地表起伏形态的各种地面特性，如坡度、坡向、坡度变化率、坡向变化率等地貌因子构成数字地貌模型。

3.DEM也可用于土地管理，包括土地利用现状评价、土地适宜性评价、土地利用潜力评价等。

4.DEM在防灾、减灾和区域综合治理开发等资源环境保护领域也有着重要的应用。

参考文献：

[1]程纲，李志文，等.机载LiDAR技术快速生成高精度DEM[J].地理空间信息，2013，11（6）：44-46.

[2]于彩霞，董箭，等.基于LiDAR点云的高精度DEM构建方法[J].地理空间信息，2015，13（3）：22-24.

[3]广东省数字高程模型更新（一期）专业技术设计书，2018.

（作者单位：广东省地图院1    广东省国土资源测绘院2）