LIDAR技术在数据处理中的应用

耿会东+吕德奎+陶伟东

摘 要：LIDAR作为一种获取高分辨率地球空间信息的崭新技术手段，具有数据生产周期短、天气影响小、自动化程度高等特点。探讨了DEM、DOM制作和点云处理，阐述了LIDAR技术的数据处理过程及其在城市建设管理、军事探测等领域的应用现状，并对其应用前景进行了预测和展望。

关键词关键词：LIDAR；惯导技术；DEM；DOM；点云；数据处理

DOIDOI：10.11907/rjdk.161516

中图分类号：TP391

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）008-0162-03

0 引言

目前，计算机信息及其它高新技术被广泛应用，数字立体摄影测量已经成熟，相应的软件和数字立体测量工作站在生产部门逐渐普及，但是摄影测量工作目前存在生产模式周期过长的弊端，不能满足信息化社会及“数字地球”对测绘的要求。

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術[1]是近几十年来摄影测量领域最具革新性的技术之一。LIDAR即光探测与测距，根据载体不同，可分为机载和地面激光雷达两种模式，原理是通过激光打在物体上的返回信号进行三维坐标的测量，应用GPS（Global Position System）、惯导（IMU，Inertial Measurement Unit）装置测定飞机的飞行姿态、空间位置、时间，生成LIDAR数据。LIDAR技术是GPS、惯性导航、激光测距等技术的集成应用。

LIDAR数据经过某些软件（TerraSolid、 LID_MAS）的数据处理后，可生成具有高精度的带状地形断面图、数字地面模型、高压输电线路三维图（包括铁塔位置、悬垂线、环境地形）、等高线图、房屋三维立体模型、正射影像图（航空飞行时要配备数字相机）等，可应用于道路设计与扩建、输电线路设计与管理维护、三维建模、洪水等灾害防治、农业监控研究等领域。

目前欧美发达国家中，在高效率空间数据信息获取方面，该技术已成为当下研究热点，其应用领域囊括了经济建设、军事、林业等多个方面。而我国关于该技术的研究及应用仍处于起步阶段，因此其数据处理方法及应用还具有很大潜力。

截至2003年1月1日，全世界LIDAR系统分布情况为：北美洲43套、欧洲29套、南美洲5套、亚洲8套、非洲1套。在美国、日本、欧洲应用有10年的历史，在中国没有机载高精度的硬件设备，也没有中国本土高精度的数据，只是在大气污染研究方面中科院有相关报道。2005年4月，北京星天地信息技术有限公司准备由加拿大进口引进中国第一台机载激光扫描仪及与之配套的GPS和惯性导航设备，总价150万美元（此价格是估计值），激光扫描仪信号脉冲频率为10万HZ，其中GPS的定位精度可以达到10cm，在美国和欧洲的试验和生产证明激光点的高程精度可以控制在15cm以内。LIDAR设备外观如图1所示。

1 LIDAR系统概述

机载LIDAR系统主要包括：①激光测距系统，用于测量发射点与地面障碍物间的距离；②姿态测量装置（IMU），用于测量扫描装置主光轴的空间姿态参数；③动态差分全球定位系统（DGPS），用于确定扫描投影中心的空间位置；④一套成像装置，用于获取对应地面的彩色数码影像，最终用来制作正射影像[2]。

机载LIDAR的特点如下：①数据精度高。利用高精密的传感工艺自动采集目标的表面与立体结构的三维数据，并根据高精度定位系统获得较高的定位精度；②数据密度高。地表激光点的采集间隔可根据具体的工程需要来调节，使得LIDAR数据可达到很高的密度；③时效性强。LIDAR的作业周期远小于传统摄影测量方式，其实用性更强；④主动测量。可以处理传统测量方法无法或很难进入的危险地区，并且仍能获取较高精度的数据。

2 LIDAR数据处理

LIDAR数据一般以二进制的形式存储，有三维坐标和强度信息。数据处理时是以三维的形式交互显示，这与全数字数据采集、航空摄影测量的数据处理方式不同，是一种全新的数据处理方式，但对作业员的要求不高。LIDAR数据的数据量巨大，例如：2.79km2有700多万三维点，裸地的地面点间隔约0.7m，有树遮挡地面点间隔约1.4m，这样的点密度是目前其它获取手段所不能达到的，尤其在有大乔木遮盖的林区更具有优势。另外，高精度的LIDAR数据采集方式，可以直接采集电力输电线的数据，可以直接生成高压输电线的悬链线空间三维图，美国多用于对电力线的维护工作。

关于LIDAR技术国内外一直在研究，直到精度能达到一定的水平才真正有它的使用价值。质量较好的1∶500 DLG图中误差在实地0.5m以内；GPS的RTK技术可以实现快速单点厘米级的定位精度；全数字摄影测量一般可以实现20cm矢量图形的测绘工作；而目前的LIDAR技术可以实现只有极少控制点的大面积测量，精度可以达到实地15cm，可以直接获取真三维的地球表面信息。

机载LIDAR数据处理的一般流程包括：①航飞采集激光扫描数据以及数码影像和内业数据处理，即确定航迹；②激光扫描测量数据处理，得到点云数据；③对数据进行检验并分类处理，经过坐标转换、激光点滤波后，建立DEM，④进行DOM制作。本文主要对点云数据特点[3-4]、DEM[5-7]建立及DOM[8]制作进行详细阐述。

2.1 点云数据特点

三维激光扫描仪在很早之前就在医学、文物保护、机械制造等领域广泛应用，数据处理使用的主要是点云处理技术。由于LIDAR技术获取的数据有范围大的特点，应用点云技术处理数据与其它领域应用有所不同。用LIDAR技术获取的数据有3种点云：①地表上的人工对象：主要有建筑物、电力设施等；②植被：主要有大的乔木和低矮灌木；③地表。

（1）地表。可以生成三维地表模型，有如下3个特点：①有高精度、高密度的地表特征点，超越目前任何其它生成手段；②可以直接建模，具有任意精度，灵活多变；③可输出文本，作为其它数据的基础，具有开放性。

（2）建筑物（房屋）。可以自动生成房屋的顶部模型和纹理，生成粗三维模型。具体如图2所示。

（3）高压输电线。对于高压输电线，利用LIDAR技术获得的数据很有特点，是目前其它设备难以获得的。LIDAR数据可以表现出铁塔的外形轮廓，能够绘出铁塔的位置和高压线的悬垂线。在美国的生产实践证明，高压输电线在夏天和荷载增加时，高压线与地面距离会变近，这不利于电线的安全。笔者认为，用LIDAR技术维护高压输电线路的日常管理，能够提高效率，节省费用。这也说明，在这一领域，LIDAR技术存在巨大的市场。

（4）高速公路。我国高速公路建设速度很快，在道路设计中LIDAR技术可以发挥作用。因为LIDAR技术可以生成很密的三维数据点，可以用来计算土石方量、破坏树木植被量，并能清楚地摸清道路两旁的环境。对于修路，在起伏比较大的地方较能显示出LIDAR技术的优势，因为这样的成本相对较低。

（5）植被。LIDAR技术获得的数据中，有4次回波，第一次回波是房屋顶部、树木顶部，第二次和第三次回波多半是樹干和枝叶，第四次回波是地表。可以利用这4次回波的信息，测量出树冠大小，进而估算木材产量。在美国，也有人用LIDAR数据制作作森林的防火模型。

2.2 DEM建立

作为4D产品之一，DEM制作方法如下：①利用航空相片，使用全数字摄影测量的方法制作，优点是直观、速度较快，缺点是精度较差、有死角；②利用高程点和等高线等矢量地图，通过软件自动生成，优点是速度很快，缺点是受数据源精度的严重影响，往往需要人工干预和再处理；③利用仪器设备到野外实地采集，优点是精度很高，但效率低下，不适合大面积作业，只有在计算土方量时才使用；④利用LIDAR技术获取离散点制作DEM。

LIDAR技术的优点：面积大、速度快、精度高；缺点：单次任务启动费用大，且需要有空中飞行许可。

（1）面积大。激光扫描仪以每秒10万个点的速度向地面发送信号，飞机的航高不同，地面的扫描走廊也不同，一般几十米到几百米，图3是行高在400m时，直升飞机的扫描走廊。图4说明航向与飞行方向垂直，激光扫描仪的扫描轨迹以“之”字形前进。

（2）速度快。通常采用固定翼飞机和直升飞机进行LIDAR数据的飞行任务，其数据采集的速度与普通的航飞相当。但是，由于是主动式的遥感，不需要等天气，甚至可以夜间飞行，因而相对于常规的航飞任务而言，可以大大提高飞行效率，一般几百平方公里的任务，几天就可以完成。数据的后期处理也非常迅速，在美国，一个熟练的作业员，每平方公里的数据处理只要1个星期。

（3）精度高。由于是直接对地面进行测量，只要不被正上空的物体遮挡，激光点都能直接打到地表，这样激光点在地表的密度就非常大。特别是对于有树木遮盖的林区，由于树荫和树叶，用全数字航测的立体影像方法很难切准地面或者根本不能看到地面，这种情况用LIDAR采集数据就特别有优势。前文提到，精度可以控制在15cm以内，而且所有的点都可以参加构成TIN。激光点密度图和侧视图分别如图5、图6所示。图5说明激光点密度非常大，本图是裸露地面，平均每平方米有2.024个点。图6是激光点的侧视图，不同颜色代表不同的返回波。

一次飞行的启动费用为航空摄影测量的缺点，也正是该缺点，使得将来的空间数据采集向两个极端发展：一是大范围、高自动化的空中采集；二是小范围、高精度的地面人工采集。在对城市的测量中，一般会两种方式结合采用，以满足宏观和微观的需要。

2.3 DOM制作

用LIDAR技术获得空间三维离散点数据的同时，如果安装了数码相机，也能获得数字影像，这种数字影像与DMC相机的影像在格式上完全相同，只是像幅较小。由于飞行时相机的快门与GPS的实时测量同时开启，因而获得影像的重叠度比较大，有的地方可以达到90%以上的四度重叠。常规航空摄影用的胶片，如果是1∶8 000的航片，0.021mm扫描，实地分辨率约为15cm，采用DMC数码相机，同样是1∶8 000，实地分辨率有7.2cm。由此可以看出，随着航空摄影高度的降低和摄影比例尺的增大，获得的影像图的分辨率在不断增加。对于伴随LIDAR技术三维数据的影像，一般分辨率在10cm之内。

用机载三维扫描仪的数据制作正射影像有以下几个特点：①生成速度快，可以生成真正射。通常可以自动或半自动选择影像的连接点，然后全自动生成正射影像，通过人为引入建筑物的矢量数据，直接生成真正射，这对制作三维大场景十分重要；②分辨率高，5cm/象元。在用LIDAR技术获取数据时，一般航飞的高度低于1 000m，这样拍摄的影像分辨率很大，可以控制在10cm之内，用分辨率为5cm的影像作三维场景的地表，基本上能够满足人们视觉上的需要；③绝对精度好。因为DEM的精度好，所以DOM的精度也随之提高，在技术层面上，所采用的方法与现在流行的纠正算法相同；④影像拼接较差，色彩过渡不好。

这是自动制作DOM不可避免的缺点。虽然数据处理软件可以自动校正色差、亮度，但如果测区过大，并不能达到令人满意的效果。若是在城区，房屋影像的拼接也是一个问题。

3 LIDAR技术系统应用

LIDAR技术在国民经济建设中，如林业、水利电力设计、交通设计规划、城市规划以及军事等各大领域可得到广泛应用。

军事应用上，机载LIDAR在战场侦察、大气探测、跟踪及火控、水下探测、武器鉴定、指挥引导、障碍回避等多方面都可得到广泛应用。

林业管理上，可根据LIDAR数据，分析森林植被的覆盖率和覆盖面积，掌握植被疏密程度、年长树木及年幼树木各自覆盖率，估算出森林总占地面积、树木均高及木材量。这对人们的伐木及植树事业具有一定的科学指导性意义，且便于相关部门进行调控。

电力输送上，可有效助力电网的布设与维护管理工作。在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样便于抢修和维护。

交通管线设计上，LIDAR技术为公路、铁路设计提供了高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。同样，其在进行通讯网络、油管、气管线路设计时具有重要的应用价值。

数字城市项目上，将高精度的LIDAR数字地面模型DEM 与GIS系统有机结合，可以建立并完善“数字城市”系统，实现对数据的实时更新。

4 结语

LIDAR技术是数据获取方法中的新数据源，是三维空间点，以点云的形式存在。利用空中飞行器，可以方便地获取LIDAR数据，这将改变测绘某些产品的数据处理方法，也会影响基础空间数据的相关应用领域，如DEM的应用、高压输电线路的设计与维护、带状地形的测量与施工、土方计算等。通过引进、消化和应用LIDAR技术，能够进一步提高使用遙感方式采集的空间数据精度，推动空间数据处理方式和应用领域由二维转化到三维，从而推进我国在测量领域的技术革命。本文仅对数据处理的3个基本方面作了初步探索，仍有很多数据处理算法、软件等问题需进一步研究。

参考文献：

[1]罗志清，张惠荣.机载LiDAR技术[J].国土资源信息化，2006（2）：20-25.

[2]陈松尧，程新文.机载LIDAR系统原理及应用综述[J].测绘工程，2007（1）：27-31.

[3]王宗跃，马洪超.基于LiDAR点云数据的水体轮廓线提取方法研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2010（4）：432-435.

[4]曾齐红，毛建华.建筑物LiDAR点云的屋顶边界提取[J].武汉大学学报：信息科学版，2009（4）：383-386.

[5]袁枫.一种从城区LiDAR数据提取DEM的方法[J].测绘通报，2010（2）：26-28.

[6]李必军，方志祥，任娟.从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[J].武汉大学学报：信息科学版，2003（1）：65-70.

[7]曾安里，张建康，王国宏，等.军用三维视景仿真引擎研究[J].指挥信息系统与技术，2010（5）：17-23.

[8]蒋宝东，王铁军.基于DOM和Lidar数据的地形图要素快速更新方法探讨[J].测绘与空间地理信息，2010（2）：101-103.

（责任编辑：孙 娟）