基于LIDAR數據的數字高程模型獲取

發布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：12375

　　為了創建地面模型和建筑物模型而進行的LIDAR數據的預處理包含了粗差剔除，數據的分類和分割。粗差實際上指的就是一些錯誤的數據點，在數據獲取時由于不可預知的原因而造成，應用之前應當先將這些壞點去掉。機載激光掃描測高激光腳點的分布并不規則，在三維空間的分布形態呈現隨機離散的數據點“點云”（Point cloud）。在這些點中，有些點位于真實地形表面有些點位于人工建筑物（房屋、煙囪、塔、輸電線等）或自然植被（樹、灌木、草）。從激光腳點數據點云中提取數字地形高程模型（DTM、DEM）需要將其中的地物數據點去掉，這就是所謂的激光測高數據的濾波。這里借用了數字信號處理中濾波的概念，即把地形表面當作信號，而將地物（建筑物、樹木等）當作噪聲，濾波算法就是從DSM得到DTM的過程。研究如何從數據點云中分離出地形表面激光腳點數據子集以及區分不同地物（包括房屋、道路、植被等）激光腳點數據子集，就是所謂的數據過濾和分類。

　　1、LIDAR數據濾波的原理

　　濾波的基本原理是基于鄰近激光腳點間的高程突變（局部不連續），一般不是由地形的陡然起伏所引起，更為可能的是較高點位于某些地物。即使高程突變是由地形變化所引起的，就一個區域來講，其表現形態也不會相同，陡坎只引起某個方向的高程突變，而房屋所引起的高程突變在四個方向都會形成階躍邊界。在同一區域，一定范圍大小內地形表面激光腳點的高程和鄰近地物（房屋，樹木，電線桿等）激光腳點高程變化顯著，在房屋邊界處更為明顯。局部高程不連續的外圍輪廓就反映了房屋的形狀。當激光掃描到枝葉繁茂的參天大樹時，激光腳點間的高程也會出現局部不連續的情況，但其表現形態卻與前者有顯著差異。

　　兩臨近點間的距離越近，兩點高差越大，較高點位于地形表面的可能性就越小，因此，判斷某點是否位于地形表面時，要顧及該點到參考地形表面點的距離，隨著兩點間距離的增加，判斷的閾值（threshold）也應放寬，主要是為了同時考慮地形起伏產生的高程變化。兩地面點間的距離越遠，自然高差（地形變化形成的高差）就會越大。

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　　2、現有的濾波方法

　　大部分激光掃描點濾波算法的思想基于如下假設：臨近激光腳點間的局部不連續（高程突變）一般不是由地形的起伏所造成，而是突變點位于非地面之上。高程突變的表現形態也不相同，例如陡坎只引起某個方向的高程突變，而房屋所引起的高程突變在四個方向都會形成階躍邊界。當激光束投射到植被上時，激光點間的高程也會出現局部不連續的情況，但其表現形態與前者有顯著的差異。兩鄰近點間距離越近，兩點高差越大，較高點位于地形表面的可能性就越小。因此，判斷某點是否位于地形表面時，要顧及該點到參考地形表面點的距離，隨著兩點間距離的增加，判斷的閾值也應放寬?？紤]到地形起伏產生的高程變化，兩地面點之間的距離越遠，可能出現的高差會越大。目前用于機載LIDAR數據濾波的方法概括來講大致可以分為形態學濾波法，移動窗口法，線性預測法，基于地形坡度濾波，移動曲面擬合濾波方法，三角網迭代法，基于數據分割等幾種方法。

　　3、基于移動曲面擬合濾波算法的濾波實驗

　　本文采用移動曲面擬合濾波算法進行多次實驗，包括平坦地形、水域、城區、山區等。實驗區選擇我國湖北省武漢市地區，該區域地物比較豐富，有開闊地、道路、居民住宅、大型建筑物、樹、森林和河流等。地形坡度在城市地區較平緩，部分地區為山區或小土墩。LIDAR數據由Leica公司的ALS50Ⅱ型航空激光雷達系統裝載在運-5型飛機上獲得，相對航高1400m，激光間距大約為2m。

　　3.1 實驗數據

　　為了便于直觀的顯示濾波效果，搜集了該地區的航空影像作為參考。實驗區主要以工礦廠房為主，包含了4條互相交叉的高級公路和一小部分住宅。在實驗區的西北方，有2個小型的人工湖泊，在西南方和東北方各有一座小山。原始點云數據。

　　3.2 濾波實驗結果

　　首先將獲取的原始點云數據*.LAS格式使用LIDAR VIEWER軟件轉換為TXT文本格式，將轉出的TXT文件使用移動曲面擬合算法濾波處理。獲得新的TXT文本。本文采取直接將TXT文本數據轉化為SHP，即可生成三維效果圖。

　　3.3 實驗分析

　　移動曲面擬合濾波算法能夠很好的過濾掉地面上的建筑物，原來在實驗區內部的建筑物點已經全部濾掉，原建筑物部分的地面表現為空白，從點云分布圖可以看出是因為該區域點已經被濾掉的緣故。除建筑物外，移動曲面濾波算法還過濾掉了地面的以及道路兩旁的樹木，公路現已經表現為條帶的面狀物；西邊的2個小型人工湖泊和河流表現為洼地，西南部的和東北部的山地效果較為明顯，可以明顯的看到地勢的起伏。東部的大片建筑物和樹木已經完全過濾，可以看到路基兩側較過濾之前平滑，和濾波閾值的選取有直接關系。閾值的大小，需要根據不同地區多次實驗，方可找到合適的閾值。

　　3.4 綜合評價

　　移動曲面擬合法濾波，算法簡單明了。運算速度快，自適應性強，濾波性能基本上不受地形條件和地物數量的限制。但算法要求保證一定的數據密度，以保證趨勢面更新較快，更新的過程實際上就是濾波趨勢面自適應地形起伏的過程。當然算法還要保持局部第行數據的離散分布，避免數據點的畸形分布（比如數據幾乎共線）。對于當前的機載激光掃描系統來說，數據采集密度已經不存在問題，絕大多數系統提供的數據密度都能保證在1points/m2以上。

　　移動曲面擬合算法實現過程中的另一關鍵之處是閾值的選取，這里的曲面擬合算法實質是基于一種外推的算法，在數學上外推的精度要遠遠低于內插的精度，所以閾值的設置不宜過大，這樣會積累外推的誤差，導致曲面無法移動。解決的辦法是可以進行多次濾波。

　　4、數字高程模型的創建

　　DEM是對一個地區的地表高程變化的表示，可以采用多種方式表達。地形表面的特征決定了地形表面表達的難度，因而在影響最終DEM表面的各種因素中扮演了重要的角色。隨著計算機應用技術和GIS技術的發展，人們通常采用數字地面模型主要有三種基本形式：規則格網、不規則三角網和數字等高線。濾波后的點云數據可以認定為一個地面特征點的集合，本文采取了不規則三角網的表示方法來表示DEM數據。將濾波后的點云先生成三角網進而生成高程模型（DEM）。