基于Matlab的LAS格式数据解析与显示

闻兆海，谢 忠

（1.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）信息工程学院，湖北 武汉 430074）

基于Matlab的LAS格式数据解析与显示

闻兆海1，谢 忠2

（1.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2.中国地质大学（武汉）信息工程学院，湖北 武汉 430074）

机载激光雷达系统近年来得到了广泛的应用，为了数据交互的方便，ASPRS制定了LiDAR数据交换格式标准——LAS格式标准。对LAS1.4文件格式进行了详细的分析，基于Matlab平台，对LAS文件中的点数据记录进行完整读取，并进行三维显示，为后续数据处理提供完整的数据源。

机载激光雷达；点数据；LAS；Matlab

机载激光雷达测量系统由激光测量系统、惯性导航系统（IMU）、GPS定位系统等组成。通过连续发射激光脉冲，实时接收地面及地表物体反射的激光脉冲，快速获取地面及地表物体的位置及高程信息。机载激光雷达测量技术是一种主动式测量技术，受天气、地形等条件影响小，使用方便、快捷，应用广泛。

机载激光雷达测量系统产生的数据是离散的三维点数据，称为“点云”数据。随着测量精度的提高，机载激光雷达测量系统产生的数据量也大幅增加。目前，每m2的测量点数约为5～6个，测量1 km2的目标区域，产生的点云数据约有500万个。

点云数据的存储格式有2种：一种是txt格式，存储离散点的三维坐标数据，也可以附加反射强度数据；另一种是LAS格式，既可存储离散点的三维坐标、反射强度数据，也可记录数据采集的信息、点的分类信息、GPS时间及颜色信息等[1-3]。

1 LAS格式介绍

LAS文件格式由ASPRS制定。ASPRS制定LAS文件格式的目的是为LIDAR数据的提供者和不同的应用开发者提供一套标准的数据交换格式，解决不同厂商及应用者之间的数据兼容问题，从而推动机载激光雷达测量技术的发展。LAS格式最早的版本是2003年5月的Version1.0，其后，ASPRS于2005年3月推出Version1.1，2008年推出Version1.2，2010年推出Version1.3，2013年7月推出Version1.4-R13。

LAS标准1.4-R13版全面兼容LAS1.0-LAS1.3各个版本，也作了较大的修订，具体集中在以下几个方面[4-8]：

1）文件结构从32位转换为64位。同时，也兼容32位点数据，最多支持232-1个旧格式数据点。

2） 脉冲返回点序号和个数记录从5个增至15个。

3）点分类的类型由32种增加到256种，增加了铁路、路面、桥梁以及各种线型，也预留用户自定义类型。

4）采用WKT坐标系转换机制，代替先前版本的GeoTIFF栅格坐标机制。点数据格式0～5可以采用GeoTIFF格式，也可以采用WKT格式；点数据格式6～10只能使用WKT格式。

LAS文件是一个二进制文件，版本1.0-1.2由3部分组成：公共头域、变长记录域和点数据域，如图1a所示。在LAS 1.3中，增加了波形数据包记录域（Waveform Data Packet Record），该记录域可以紧跟点云数据域后面，称为“扩展变长记录域（Extended Variable Length Record）”，也可以单独位于一个辅助文件内。在LAS 1.4中，进一步扩充了扩展变长记录域的功能，结构如图1b所示。

图1 LAS文件结构

1.1 公共头域

LAS1.0公共头域记录了LAS文件的基本信息，如图2a所示。在LAS 1.3中，公共头域增加了“波形数据包记录起始（Start of Waveform Data Packet Record）”字段，用来指明波形数据记录的位置。为了兼容前面的版本数据，增加了“老格式点数据数目”和“不同回波的老格式点数目”字段；为了支持多个扩展变长记录域，增加了“第一个扩展变长记录起始”和“扩展变长记录数目”字段，如图2b所示。

图2 公共头域格式

1.2 变长记录域

变长记录域紧随公共头域，一个LAS文件可包含多个变长记录域，数目由公共头域中“变长记录域数目”字段指定。每个变长记录域有一个头部域，大小为54字节，LAS1.4和前面版本结构一致。

1.3 点云数据记录格式

在LAS1.0中，定义了点数据格式0，其核心字段长度为20字节，如图3a所示，数据格式0～5都是以它为基础定义的。LAS1.4新增加了5种数据格式，分别为格式6～10，其中数据格式6为基础格式，核心字段长度为30字节，如图3b所示。主要的改进有：①每个激光点的回波数记录从5个增加到15个；②分类信息字段扩展到一个字节，支持最多256种类别信息；③GPS时间记录为必备字段。

图3 点数据记录格式

2 LAS格式数据读取与显示

2.1 LAS格式数据读取

根据前面对LAS文件格式的解析，本文基于Matlab7.10.0（R2010a）对该格式文件进行读取。数据源来自于ISPRS的WG III/4工作组，目标区域位于德国的Vaihingen地区，数据记录总共有3 582 656条，采集于2008年。

LAS文件是二进制文件，调用fread函数按字节进行读取。由于LAS文件中，公共头域、变长记录域头部以及点数据长度格式是固定的，根据文件指针，可以依次读出各部分内容，如图4所示。读取的点数据信息如表1所示，其中，字段1～4分别为X、Y、Z记录值以及回波反射强度，字段5为回波点序号、扫描方向以及飞行线路边缘标识字段，长度为1个字节，字段6为分类信息。

2.2 LAS格式点数据显示

图4 数据读取流程

表1 部分点数据信息

从LAS文件中读取的点数据坐标值为记录值，要得到三维坐标值，需要对记录值进行转换：

经过数据转换后，得到的坐标值与公共头域中所标识的X、Y、Z范围一致。

选取其中的500 000个点数据对应的目标区域，调用MATLAB中的三维离散点显示函数scatter3对点数据进行显示，得到的三维效果图如图5所示。图6为同一目标区域点数据在ArcScene环境下的三维效果图。

该目标区域包含建筑物、河流、桥梁、道路、草地、树木等典型地物，高程在247.55～289.7之间。与ArcScene环境下的三维效果图相比，两者一致，但是，图5提供了更完备的点数据属性信息。

图5 Matlab环境下点云数据三维效果图

图6 ArcScene环境下点云数据三维效果图

3 结 语

本文对最新的LAS文件标准——LAS1.4格式进行详细的解析，指出了其与LAS1.0版本相比，在文件结构、公共头域格式、点数据记录格式等方面的改进。

在Matlab环境中，采用文件函数fread读取了LAS文件中完整的目标区域点数据记录，并用三维离散点显示函数scatter3对点数据进行三维显示。文中采用的数据解析方法，可以完整地得到目标区域的点数据记录，如反射强度、回波次数、扫描方向、扫描角度、分类信息、边缘点信息、标识点信息等，有利于后续的点云数据处理，也为相关研究提供了数据格式支持。

[1] 张靖,高伟. LAS格式解析及其扩展域的应用[J].测绘科学,2008,33(3):154-155

[2] 刘春,姚银银,吴杭彬.机载激光扫描（LiDAR）标准数据格式（LAS）的分析与数据提取[J].遥感信息,2009(4):38-42

[3] 赵自明,史兵,田喜平,等.LAS格式解析及其数据的读取与显示[J].测绘技术装备,2010,12(3):17-20

[4] ASPRS.ASPRS LiDAR Data Exchange Format Standard Version 1.0[EB/OL].http://www.asprs.org/a/society/committees/ standards/asprs_las_format_v10.pdf,2003-05-09

[5] ASPRS.LAS Specification Version 1.1[EB/OL].http://www. asprs.org/a/society/committees/standards/asprs_las_format_v11. pdf,2005-03-07

[6] ASPRS.LAS Specification Version 1.2[EB/OL].http://www. asprs.org/a/society/committees/standards/asprs_las_format_v12. pdf,2008-09-02

[7] ASPRS.LAS Specification Version 1.3-R11[EB/OL].http:// www.asprs.org/a/society/committees/standards/LAS_1_3_r11. pdf,2010-10-24

[8] ASPRS.LAS Specification Version 1.4-R13[EB/OL].http:// www.asprs.org/a/society/committees/standards/LAS_1_4_r13. pdf,2013-07-15

P225.1

B

1672-4623（2015）01-0050-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.017

闻兆海，讲师，研究方向为机载激光雷达数据处理、遥感图像处理、GIS。

2013-10-14。

项目来源：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CUGL130225）。