机载LiDAR数据生成水系DEM方法研究

俞丽燕 王雅黎 邢晓彬

（中国人民解放军61618部队，北京 100088）

0.引言

激光雷达技术是一项通过由传感器所发出的激光来测定传感器与目标物之间的距离的主动遥感技术[1]。它通过红外光束的发射、反射和接收来探测物体的距离，并使用反射光束的时间和波长来估计距离，并且激光成像创建对象的3D表示[2]。目前，LiDAR技术已经成为地理信息数据处理的一项非常重要的技术，被广泛应用到各行各业。使用LiDAR数据可以生成很多后期产品，其中DEM就是一项非常普遍的应用。和其他技术一样，LiDAR也有其缺点和局限性，例如水体所在区域的点云会有如特征：激光点稀疏；回波强度弱[3]。而实际获取的数据情况更加糟糕，很多水系区域甚至没有一个激光点。

DEM是对地面特性进行空间描述的一种数字方法、途径。它以某一范围内的地形数据为基础，通过一定的数学变换，将某一范围内的地形地物以三维空间的形式表示在一个二维的平面上，以离散分布的平面点来模拟分布的地形[4]。由于水系区域LiDAR点稀疏甚至没有，导致生成的DEM中水系部分会存在不真实的情况。本文描述一种新的方法，对水系部分生成DEM进行改进，添加断裂线予以置平以补充水系区域缺失的LiDAR点，达到了DEM整体美观、对地形表达正确的效果。这种方法经试验验证可以提高水系DEM生成的质量和精度[5]。

1.传统方法生成DEM的原理与优缺点分析

DEM生成时对于水系的处理通常有两种方法：第一种方法是去掉所有的水点进行生成，水面完全由最低的河岸点内插形成。它的优点是操作起来便捷，可以减少数据量，运行时间相对较短，但是生成的DEM在水系区域表达不真实，存在大的网格拉伸导致整体不美观。结果如图1所示。另一种方法是使用扫描的水点进行生成。它的优点是操作比较简单，但是由于水点稀少、时有时无的这种获取的特殊性，在同一水域会出现表达不一致的情况。例如：一个湖水只获取了一部分水点，则生成的DEM就会部分有实点，部分出现网格拉伸。结果如图2所示。

图1 使用河岸点内插得到的DEM图

图2 使用获取的LiDAR点生成的DEM图

2.添加断裂线法改进水系DEM生成研究

为提高水系DEM生成质量和精度，这里研究一种添加断裂线对水系进行置平的方法。通常对于水系的真实表达需要符合自然规律：对于封闭的水域，静止的水面高程应该是同一个值；对于流动的水系，通常生成DEM的表达是沿着水流方向，高程值逐渐递减，但是同一点对应的两岸最低点高程值应该保持一致。自然获取的LiDAR点很难满足这种需求，为此，提出了添加断裂线的方法，断裂线赋值可以完全依照这种自然规律，使获得的DEM在水系区域有更高的质量和精度。该方法具体包括以下5个方面：

2.1 数据准备

（1）LiDAR数据分类：这个步骤使用Microstation软件中的Terrasolid插件进行处理，将Las格式的机载LiDAR数据进行分类处理，地面点和水点需要分类到不同的层中[6]。（2）采集2D水线：将采集的水线分开整理。双线水中心线、双线水范围线、面状水范围线和岛屿的边线分别存放在不同的文件中。

2.2 输出水点DEM给双线水的中心线进行赋值

（1）这个步骤使用Microstation软件中的Terrasolid插件完成，DEM输出时需要使用最低点，目的是确保生成的DEM中水面的高程不会高于河岸的高程。（2）再使用ArcGIS软件基于输出的DEM给双线水的中心线进行赋值。

2.3 给双线水和面状水的范围线赋值

（1）使用ArcGIS软件中的River Flatten Dialog工具基于双线水的中心线给河流范围线赋值。（2）使用Microstation软件中的Terrasolid插件抽稀水点并存成xyz格式。使用Feature Manipulate Engine软件基于上一步骤中输出的xyz水点给面状水的范围线进行赋值。

2.4 范围线进行加密、离散并写入Las文件

（1）使用Microstation软件中的Terrasolid插件将赋值后的双线水和面状水的范围线进行离散并加密，储存城Las格式。（2）将上一步骤中离散并加密得到的点云数据与分类好的地面点数据合并储存。

2.5 生成DEM

使用Microstation软件中的Terrasolid插件基于完成的只有地面点和加密水点的机载LiDAR数据输出DEM。

3.实验与分析（试验结果与可靠性分析）

3.1 试验

试验区域为一块具有面状水的简单地形区域，数据为机载激光雷达点云数据，点云间距为8cm，大约有400万个点云。按照前文步骤进行处理，得到如图3所示的效果。

图3 使用获取的LiDAR点生成的DEM图

3.2 分析

从以上试验可以看出来利用断裂线进行干预的DEM成果不仅美观，而且更加符合自然规律，可以对水系地形地貌进行最准确的表达。

4.结语

高精度、快速地生成DEM，一直是地形地貌研究与分析的重要方面。文章提出的添加断裂线予以置平法存在的问题：一方面，采集断裂线，会导致步骤繁琐，人工工作量的增加；另一方面，断裂线的节点进行离散写入，会导致数据量增大，运行时间增加。虽然存在缺点，但是却能够很好的表达水系地形地貌，为要求比较高的项目和研究提供了一种很好的解决办法。