基于lidar点云数据的dom制作方法

第33卷第11期2019年11月
北京测绘
BeijingSurveyingand Mapping
Vol33 No11November2019
引文格式:张超.基于LiDAR 点云数据的DOM 制作方法 J 北京测绘,2019,33(11):14051408.
DOI ：10. 19580/j. cnki. 1007-3000. 2019. 11 027
基于LiDAR 点云数据的DOM 制作方法
张超
(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)
［摘 要# 基于LiDAR 点云数据，利用MicroStation 平台下的TerraSolid 软件包，采用无地面控制空中
三角测量的方法对影像数据进行正射纠正，从而得到正射影像，并总结操作流程，为生产单位提供参考依据$ 实验表明，利用TerraSolid 软件中渐进加密滤波算法提取的地面点云生成的DEM 与实际地形有较好的吻
合；利用离地高度算法提取植被和建筑物效果的优劣取决于设定阈值的精度；利用TerraSolid 软件制作的正
射影像具有较高的几何精度和较好的视觉效果$
［关键词# LiDAR ； Terra Solid ；空中三角测量；DEM
［中图分类号# P231
［文献标识码# A ［文章编号# 1007 — 3000(2019)11 — 1405 — 4
0引言
激光雷达(Light Detection And Ranging ,
LiDAR )是一种主动测量系统，由激光发射系统、 GPS 定位系统、IMU (Inertial Measurement U-
nit,及惯性测量单元)和数码相机等组成，具有高 精度、高密度、全天候数据采集等特点「门。

DOM 是一种正射投影影像，其具有与地图 相同的几何精度，同时又具有影像的视觉特征(
目前,限制DOM 质量的因素主要有:航拍影像的 质量，外业控制点的精度，加密点的精度以及数 字高程模型(Digial Elevation Model ，DEM )的
精度。

传统制作DOM 使用的数据为航拍影像和 外业控制点采集的数据。

由于LiDAR 数据的特殊性，传统处理航空数
据的软件很难批量处理高密度的点云数据「2"。

本
文利用LiDAR 进行DOM 的制作，其优势表现在
差分GPS 提供的摄站坐标取代控制点进行IMU/
DGPS 辅助空中三角测量，差分GPS 获得的激光
点云精度、密度保证了 DEM 的质量⑶。

利用Ter ­
raSolid 激光处理专业软件进行DOM 的制作，为后 续提高正射影像质量的研究提供参考。

1基于LiDAR 点云的正射影像生产
基于LiDAR 点云生成正射影像的过程主要分
为四个阶段:LiDAR 数据与原始影像的采集，原始 影像由集成在激光雷达系统上的高分辨率相机拍 摄获得，LiDAR 数据由激光扫描仪数据、GPS 数
据、惯性测量装置IMU 数据经地面后处理软件解 算获得;利用LiDAR 数据构建数字表面模型，基于
待测区地形点云数据构建的不规则三角网(TIN) 和建筑物点云数据生成数字表面模型(Digial Sur ­
face Model,DSM );利用数字表面模型对原始影像 进行数字微分纠正，并对建筑物遮蔽区域进行检 测；利用重叠影像对遮蔽区域进行填充，从而生 成完整的正射影像⑷，如图1所示。

图1基于LiDAR 点云数据的正射影像生成流程图
［收稿日期# 2019 —05—31
［作者简介#张超(1994 —)，男，北京人，大学本科，工程师，从事工程测量工作。

E-mail ： 991825849@qq.
com
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2TerraSolid软件介绍
TerraSolid是一款专业处理机载和车载激光的软件，该软件由多个独立的模块组成，并且每个模块均能独立满足使用者的作业需求。

Terra-Solid软件的主要功能是使影像数据与激光点云数据互相支持，在同一个软件平台下对原始点云数据、航线轨迹和航拍影像数据进行处理，获得激光点云分类后的结果、真彩色正射影像、数字高程模型）D数字城市模型等其它产品。

Terra-Solid软件包包括TerraMatch、TerraScan、Terra-
Modler、TerraPhoto、TerraSurvey、TerraPhoto TerraScan Viewer）TeraPipe、TerraSlave）Ter-raPipeNer等模块。

本实验所用到的模块有三个：TeraScan、TeraPhoto、TeraSurvey。

2.1TerraScan
TerraScan是一款专门处理激光扫描点数据的软件模块，可以方便高效地处理数以百万计的点（其主要功能如下：以XYZ文本文件或类似于LAS的二进制文件本读入原始激光点云数据；以三维的方式浏览数据；自动或人机交互方式分类激光点;能够生成激光点的剖面图等。

2.2TerraPhoto
TerraPhoto是一款通过将激光点云数据与航空影像结合的方式制作正射影像的软件，是一款专业处理LiDAR系统飞行时所拍摄的影像（正射纠正可以做到无需提供测区地面控制点（操作简单，具有以下的特点：能删除影像不需要的控制点；根据地表模型精确构建激光点云三角面模型;利用高程信息进行逐像素纠正；自动平滑过渡相邻影像间的色差。

2.3TerraSurvey
TerraSurvey是一款利用全站仪和GPS的数据进行3D数字测图的软件，能够控制和保证测量数据的质量。

TerraSurvey能够识别的测量数据格式为文本文件，读入后生成测量所用的三维图案文件。

其能够识别多数设备得到的数据格式,并且几乎任何文件均能通过自定义格式的方式读入，但前提是文件包含坐标系和倾斜角（为了方便定义测量对象，所有测量对象均有唯一的特征码。

其主要功能如下：基于测量数据进行测图及建模；使用已有格式或自定义格式；交互式测定误差和纠正地图。

3制作正射影像
生成正射影像的数字微分纠正依据是数字高程模型，正射影像的质量主要取决于数字高程模型的精度。

正射校正的目的是为了消除影像因中心投影产生的误差，正射校正后的产物就是正射影像5（
3.1数字高程模型
利用激光点云数据构建数字高程模型的方法主要有两种：规则格网和不规则三角网（TIN）。

这两种方法均较容易实现,但由于点云数计量庞大、复杂以及无规律的特点，影响后期正射影像的制作。

另一种方法是将点云数据进行分类，提取出地形点云数据，再根据不规则三角网或规则格网生成数字高程模型。

激光点云数据点在三维空间呈离散不规则分布，这些点可能打到真实地面，也有可能打到植被或人工建筑物等地物，不能直接用来制作数字高程模型「6"。

因此，对其进行分类是非常必要
的。

激光点云分类是指从激光点云数据中提取出属于地形、建筑物以及植被等地物点的激光点云。

一个好的分类或滤波算法需要满足两个条件:尽可能保留山脊、峡谷、沟坎等地形的特征信息；在分类时尽可能的减少误差。

Axelsson在1999年提出的一种基于不规则三角网加密的滤波算法。

该算法对于地形不连续地区处理的效果较好，适用于地形复杂的城市地区「7"。

本文的目的是获取城市的正射影像，所用到的实验台TerraSolid就是基于此算法进行滤波。

渐进加密滤波算法流程图如图2所示。

图2
渐进加密滤波算法流程图
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3.2基于离地高度算法提取植被和建筑物
植被信息是根据点在地面上模型以上的高度值来判别点的类别。

根据植被的高度将其分为三类:低矮植被、中等高度植被和高植被。

本文所用到的处理平台为TerraSolid,其对植被的提取是基于离地高度算法，主要思想是利用地面点建立临时三角模型，然后设置一个高度阈值,将给定范围内的其他点与三角形模型的高程值进行比较，如果低于设定的阈值，则将这个点归入到某一植被类型中。

一般情况下，低矮植被阈值设定为0.5m,中等高度植被设为0.5〜2m。

离地高度算法处理流程如图3所示。

处理流程思想如下：先将Default全部归入低植被类并设定判断阈值；根据地面点生成三角模型;将低等高度植被类中的点带入三角模型中进行计算，并比较计算结果与阈值的大小，小于阈值则为低植被点，高于阈值则归为中等高度植被类；重复上一步，直到遍历完低等高度值被类中所有的点；得到中等高度植被类的结果。

从中等高度植被中分离出高植被的处理流程与其相同，最后再从高植被中分离出建筑物点，一般认为高程超过2m的点即为建筑物点。

图3离地高度算法处理流程
3.3IMU/DGPS辅助空中三角测量
机载激光测量系统是由IMU/DGPS辅助的测量系统，即POS系统!
"。

它指飞行平台上的GPS接收机与地面上不定数量基站上的接收机连续同步观测GPS卫星信号。

利用GPS载波相位差分定位得到的相机位置参数和与相机结合严密的IMU测得的姿态参数，通过将二者数据进行联合解算得到所需影像的高精度外方位元素，为影像的处理提供了高效、便捷的手段。

IMU/DGPS辅助空中三角测量主要有以下三种方法：直接定向法，此方法无需事先在地面架设任何控制点，也不用经过空三解算，利用IMU和GPS提供的外方位元素直接定向，以快速地恢复立体模型；无控制空三，先根据测区中IMU和GPS数据进行无控制空三平差后再定向，这样可以消除部分误差，改善整个测区的相对精度，但是不能提高整个测区的绝对精度，区域的绝对精度取决于IMU/DGPS原始数据的质量稀少控制辅助空三，此方法利用少数几个控制点以及IMU和GPS提供的测量数据进行联合平差后再定向，是目前常用的一种方法，既保证较高的精度,又能减少外业时间。

3.4实验结果
本次应用TerraSolid软件制作DOM所用的数据为中铁二院提供，数据包含机载LiDAR点云数据和航拍影像，实验区域为多伦多市，由下图4所示。

依次进行影像快速校正、影像颜色粗校正、激光点和影像与控制点配准以及颜色校正等工作，得到正射影像。

原始图像和正射影像分别如图5和图6所示。

图5
原始图像
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图6正射影像
两幅图像均选自同一地物，前者为未经几何校正处理获得的镶嵌影像，后者为经过一系列处理后获得的正射影像。

二者通过对比发现，前者在影像拼接缝处地物并不连续，这是因为进行拼接的影像坐标系不一致导致，并且拼接缝处存在严重的颜色差异现象。

反观经过一系列处理后最终生成的正射影像，影像拼接准确，拼接缝处颜色过渡平滑。

说明本次实验效果较为理想。

4结束语
基于LiDAR和影像数据的数字正射影像制作方法能够生成高质量的数字正射影像，为日后提高正射影像的质量奠定夯实的基础。

但制作过程中仍然存在一些问题需要后续进一步研究(由于原始影像投影方式为中心投影，造成影像中建筑物存在遮挡现象，导致通过一系列校正操作后获得的正射影像中个别部分出现无数据的情况。

因此，如何对无数据区域进行填补还需要今后继续的研究。

另外，利用LiDAR系统获取的地面点云中，不仅包括点云的空间三维信息，同时还包括点云的强度信息。

而基于LiDAR与影像数据生成正射影像的过程中，只用到了点云的空间三维信息，所以点云强度信息的用途还需要进一步的研究。

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DOM Production Method Based on LiDAR Point Cloud Data
ZHANG Chao
(China Railway Fif t h Survey and Design Ins t itute Group Company Lim i ted,Bejing102600,China) Abstract:The purpose of this paper is to use the TerraSolid software package based on MicroS t a t i on pla t f ormbased on LiDAR poin t cloud dat a.The or t hographic image is correc t ed and the or t hopho t o image is obt a ined,and the opera t ion flow is summarized,which provides the reference for the product i on unit.The experimen t shows tha t the DEM which was genera t ed by the ground poin t cloud tha t extrac t ed by the progressive encryp t i on algorithm in TerraSolid software is in good agreemen t w i th t h e ac t ual terrain.The use of t h e heigh t from ground algor i thm to extrac t the effec t of vege­ta t i on and building depends on the accuracy of the se t threshold.The or t hoimage produced using TerraSolid software has high geome t ric accuracy and bet t er visual effec t s.
Key words:Ligh t De t ec t ion And Ranging(LiDAR)*TerraSolid；aerial t r iangula t i on*Digi t al Elevat i on Model(DEM)。