1、引言

　　機載激光雷達（LiDAR，Light Detection and Ranging)主要包括激光測距系統、光學機械掃描單元、控制記錄單元、全球定位系統(Global Position System, GPS)、慣性測量系統(Inertial Measurement Unit，IMU)以及一套成像設備。機載LiDAR系統以飛機為載體，按設計航帶獲取高精度、高分辨率的地表三維坐標數據，這時一種全新的技術手段，其數據獲取和處理方式彌補了傳統攝影測量的缺陷，使得數據生產朝智能化和自動化的方向更進了一步。

　　Lidar的出現不僅使得攝影測量的數據獲取能力有了空前的提高，也給數據處理和信息提取提出了新的要求。之前攝影測量技術主要集中在影像數據的光譜信息處理上，而Lidar獲取的三維空間數據是一系列隨機離散的不規則點，其在三維空間的分布形態為數據點云，可以稱為數字表面模型（Digital Surface Model-DSM）。在這些激光腳點中，有的點位于真實的地形表面，有的點位于地物或植被頂面上，要得到通常說的Digital Terrain Models-DTM 或者 DEM，還需進行后續處理。而自從 Lidar的出現，其數據處理研究一直是該領域的熱點或難點，其中濾波算法是重要的處理手段。

　　2、LiDAR數據結構特點及(ji)處(chu)理流(liu)程(cheng)

　　2.1 LIDAR數據(ju)組成及存儲格式

　　機載LiDAR對地表目標(biao)信息采集過(guo)程中，各個(ge)部件都(dou)采集相對應(ying)的(de)信息數(shu)據(ju)(ju)，主要有同步時間數(shu)據(ju)(ju)、DGPS定位數(shu)據(ju)(ju)、IMU姿態參數(shu)數(shu)據(ju)(ju)等(deng)過(guo)程數(shu)據(ju)(ju)，以(yi)及坐(zuo)標(biao)數(shu)據(ju)(ju)、回(hui)波強度數(shu)據(ju)(ju)等(deng)結果數(shu)據(ju)(ju)。目前各種類型的(de)商(shang)用機載LiDAR所采集的(de)數(shu)據(ju)(ju)也存在很大差別，在實際應(ying)用中，常用的(de)信息為激光脈沖返(fan)回(hui)的(de)地物的(de)點(dian)云幾何數(shu)據(ju)(ju)（坐(zuo)標(biao)數(shu)據(ju)(ju)）、激光強度數(shu)據(ju)(ju)和激光回(hui)波數(shu)據(ju)(ju)等(deng)。

　　2.1.1數據組成(cheng)

　　1.幾(ji)何數據

　　LiDAR 主(zhu)要由 GPS、IMU 以及激光測距儀解(jie)算出來的空(kong)間三維(wei)坐標(biao)數據組成(cheng)，它記錄(lu)了整(zheng)個飛行(xing)區域的所有地(di)物(wu)地(di)形點的 3D 空(kong)間信(xin)息，通過(guo)坐標(biao)解(jie)算和(he)轉換完成(cheng)整(zheng)個地(di)物(wu)區域的大地(di)坐標(biao)換算。也(ye)是(shi)核心數據部(bu)分。

　　2 .激(ji)光強度數(shu)據

　　接收機接收的(de)(de)(de)反(fan)射激(ji)(ji)光脈(mo)沖束與測距儀發射的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光脈(mo)沖束能量(liang)比稱為激(ji)(ji)光雷達(da)的(de)(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)強度。激(ji)(ji)光強度信號(hao)反(fan)映的(de)(de)(de)是(shi)地(di)表(biao)物體對激(ji)(ji)光信號(hao)的(de)(de)(de)響(xiang)應特(te)征，激(ji)(ji)光束的(de)(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)強度與激(ji)(ji)光束照射到(dao)的(de)(de)(de)地(di)面及地(di)物的(de)(de)(de)類(lei)型有(you)關(guan)，不(bu)同材質目標反(fan)射的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光強度也(ye)不(bu)同，因此(ci)可以利(li)用回(hui)(hui)波(bo)強度信息對反(fan)射強度差異(yi)較大的(de)(de)(de)區域進行濾波(bo)、分類(lei)。

　　3.激(ji)光(guang)回波數據(ju)

　　不同(tong)的地物其回波(bo)次(ci)數(shu)和回波(bo)強度(du)是(shi)不同(tong)的，當激(ji)光脈(mo)沖掃描到植(zhi)(zhi)被時，激(ji)光束可以穿(chuan)透植(zhi)(zhi)被形成多次(ci)回波(bo)，而當脈(mo)沖掃描到光禿的地面(mian)或平整裸露的建筑物頂面(mian)時則只產生一次(ci)回波(bo)。

　　4.光譜數據(ju)

　　機載LiDAR能夠快速獲取地表目標的三維坐標信息，但受激光特性的限制，不能夠獲取反映目標特征的光譜信息，所以很多機載LiDAR都同時搭載了多波段傳感器或CCD相機，用來獲取地表的影像數據。通過影像融合技術，可以將機載激光雷達系統的點云數據與地表的影像數據進行融合獲取每個激光腳點的光譜信息，應用于點云數據的后處理。

　　2.1.2數據存儲格式

　　目前，國際上采用的 Lidar 數據存儲格式采用ASKII碼、柵格文件和自定義二進制格式等來存儲激光雷達數據，但這三種格式有其各自的弱點,都不是目前標準的Lidar 商業數據文件格式。2003年5月，美國攝影測量與遙感（ASPRS）機構下的 Lidar 委員會發布了Lidar 數據交換格式標準LAS1.0版本。隨后該組織又陸續推出了更新版本。它是一種開放而嚴謹的二進制式的數據存取與數據轉換框架，用于儲存通過DGPS、IMU、激光測距數據生成的地表目標激光腳點的三維坐標數據，實現了數據格式的擴展和兼容性，已經被全球主要生產商所認可和使用。LAS1.0數據格式定義了數據文件的存儲方式、數據存儲結構以及可供擴展的參數，數據文件由公共數據塊（PublicHeaderBloock)、可變長數據記錄（Variable Length Records)以及點數據(Point Data)3個部分構成。

　　在公共數據塊中，記錄了文件標識、飛行時間、回波次數、存儲點數據記錄所用的數據格式類型、坐標方位等信息，詳細描述了數據采集的基本信息。這些詳細的數據采集信息為數據的后續分析處理提供了必要的基礎信息。

　　2.2LIDAR數據特點

　　1.離散性

　　機載LiDAR數據在空間分布形態表現為一系列離散分布的三維數據點云。這種離散的數據點云空間分布形態主要取決于地表形態以及數據采集方式。

　　2.多次回波

　　在城市地區，最(zui)有價值的通常是首(shou)次(ci)回(hui)波(bo)和(he)末次(ci)回(hui)波(bo)，首(shou)次(ci)回(hui)波(bo)一般來自最(zui)高層次(ci)的物體，如建筑物頂、樹(shu)木頂層等；末次(ci)回(hui)波(bo)則通常來自地面。

　　3.存在數據(ju)缺失和水體(ti)吸收

　　機載LiDAR是通過(guo)接收被(bei)(bei)目標(biao)(biao)反射回(hui)來的(de)(de)激(ji)(ji)光脈沖來獲(huo)取目標(biao)(biao)物的(de)(de)信息，回(hui)波的(de)(de)強度與目標(biao)(biao)的(de)(de)材質有(you)(you)關。有(you)(you)的(de)(de)物體(ti)對激(ji)(ji)光的(de)(de)吸(xi)收程度較大，因此在該區域(yu)(yu)可能出現缺(que)失回(hui)波點的(de)(de)情況(kuang)。而在水域(yu)(yu)，大部分(fen)激(ji)(ji)光束被(bei)(bei)水體(ti)吸(xi)收，也會(hui)導致(zhi)回(hui)波信號的(de)(de)缺(que)失。

　　4.數據量(liang)龐(pang)大

　　激光雷(lei)達(da)數據(ju)(ju)(ju)有很高的(de)采樣(yang)率，數據(ju)(ju)(ju)精度也高，但這些優點都是以海量(liang)數據(ju)(ju)(ju)為代價的(de)。

　　機載(zai)LiDAR數據還有其他特(te)點(dian)，如(ru)：分布(bu)不均勻、不含光譜信息、可以記錄(lu)地物反射強(qiang)度信息等。

　　2.3Lidar 數據處理流程

　　機載 Lidar 數據處理是一個很復雜的過程，概括地說，整個 Lidar 數據處理可分為六個步驟：

　　1.通過DGPS/IMU組合系統的(de)數(shu)據(ju)精確(que)(que)確(que)(que)定(ding)遙感平臺(tai)的(de)飛行航跡。

　　2.通過對激光測距數據、IMU姿態數據、DGPS數據以及掃描角數據進行相應的處理，計算出激光腳點的三維坐標信息。一般都由機載LiDAR系統生產商提供的軟件進行自動處理，得到激光點云數據。

　　3.應用一定的數學算法對點云數據進行濾波、分類、建筑物邊緣提取以及建筑物三維重建等數據后處理。

　　4.機載LiDAR系統在完成對整個區域地掃描過程中，采用分航帶的方式進行飛行，航帶間保證一定的重疊度。在數據后處理過程中通過航帶間的重疊部分將點云數據進行拼接，組成一個完整的目標區域。

　　5.將點云數據坐標系統轉換成用戶需求的坐標系統。

　　6.將濾波、分類獲得的地面點，通過相應的操作生成DEM、DSM和DOM等最終的測繪產品。

　　3. LiDAR點云數據濾波

　　3.1 LiDAR點云數據濾波定義

　　機載 LiDAR數據濾波可這樣定義：對原始點云數據按照非地面點和地面點兩種方式分類，將非地面數據剔除生成只包含裸地地形數據點的過程稱為濾波。圖1顯示了濾波的過程，上圖為包含有地物（人工地物和自然植被）的點集合，濾波后的結果為下圖形式，只是地形點的點集合。

猜你喜歡：

機載激光雷達（LIDAR）和遙感影像的融合

數字攝影測量在GIS數據更新中的應用

版權聲明：文(wen)章來源于(yu)網絡，登載(zai)此文(wen)出于(yu)傳遞更多信息(xi)之目的，版權歸原作者及刊載(zai)媒(mei)體所有，如(ru)本文(wen)中(zhong)圖片或文(wen)字侵犯您的權益，請聯系我(wo)們。