机载LiDAR技术在黄河流域高精度精细DEM生产中的应用.pdf

第25卷第1期2023年3月测绘技术装备Geo ma io c sTec h n o l o gya n d Eq u o pmen iVo l.25 No.1Ma e.2023机载ldar技术在黄河流域高精度精细 DEM生产中的应用刘巍1,2（1.甘肃省测绘工程院，甘肃兰州730000；2,甘肃省应急测绘工程研究中心，甘肃兰州730000）摘 要摘 要:在机载激光雷达（Ligh t Detec tio n a n d Ra n gin g,LiD AR&测量技术生产和更新基础测绘成果 中，本文选取沿黄河流域的永靖至黄河石林段，基于LiDAR点云数据，探索了 一套高效生产高精度 精细数字高程模型（Digita l El ev a tio n Mo d el,DEM&的方法。试验结果表明，LiDAR点云数据生产 DEM不仅地形精细表达程度高，而且相较传统模式生产的DEM平均中误差降低了 0.6 m，摆，摆脱了 传统立体方式，优化了作业流程，工作效率提高了 50%。该成果已成功应用于甘肃省2021年基础 测绘1：10 000地形图更新项目。关键词关键词：LiDAR点云；数据处理;建模;数字高程模型中图分类号中图分类号:P225.7DOI：10.20006/j.c n k i.61-1363/P.2023.01.019Appl ic at ion of airborne LiDAR t ec hnol ogy in t he produc t ion of high-prec ision Une DEM in t he Yel l ow River BasinLIU Wei1，2(1.Su r v eyin g a n d Ma ppin g En gin eer in g In stitu te o f Ga n su Pr o v in c e,La n zh o u,Ga n su 730000,Ch in a；2.Emer a en c y Ma ppin g En gin eer in g Resea r c h Cen ter o f Ga n su Pr o v in c e,La n zh o u,Ga n su 730000,Ch in a)Abst rac t:In th e pr o c ess o f pr o d u c in g a n d u pd a tin g ba sic su c eyin y a n d ma ppin g r esu l ts o f LiDAR mea su r emen t tec h n o l o gy,th is pa per sel ec ted th e Yo n gin y sec tio n o f Lin x ia to Yel l o w Riv er Sto n e Fo r est sec tio n a l o n g th e Yel l o w Riv er Ba sin a n d d ev el o ped a set o f meth o d s fo r effic ien t pr o d u c tio n o f h igh-pr ec isio n fin e DEM.Th e test r esu l ts sh o w th a t th e DEM d ec v ed fr o m LiDAR po in t c l o u d d a ta n o t o n Oy c a n sh o wIh e o o n e o po g ea ph y,bu Ia o so eed u c eIh ea eeea gemea n sq u a ee eeo eby0.6 mc o mpa eed wo h Ih e ea d o o o n a o mo d e,wh o c h o aoyd ooeeso eo m Ih e ea d o o o n a o seeeo sc o po c meIh o d,o p o mo zesIh eo peea o o n peo c esa n d o mp eo ees Ih e e ooc o en c y by 50%.Th e eesu o s a ee su c c e s ou oya ppo o ed on Ih eba so c su eeeyo n g a n d ma ppo n g1：10,000 o po gea ph o c ma p u pd a epeo iec Io n 2021 on Ga n su Peo eo n c e.Keywords:LiDAR po in t c l o u d&d l a pr o c essin g；mo d el in g&DEM1引言传统的1：10 000 DEM基础测绘作业方式是利 用航空影像进行空中三角测量加密建立立体模型,匹配生成数字地表模型（Digita O Su ma c e Mo d el,DSM）数据，在立体环境下对DSM数据进行编辑与 检查后生成DEM成果数据。与传统的航空摄影测 量相比丄iDAR点云数据能够精准地反映地形的真 实情况，直接、快速地获取地面的三维坐标,提供密 集的点阵数据，具有效率高，数据精度高,受外界环 收稿日期：2022-03-06项目来源：2021年甘肃省省级基础测绘项目（GSBSM-2021-05-02）。作者简介:刘巍,工程师，主要从事LDAR数据处理，基础测绘生产与更新,地理国情监测等全流程制作、项目负责及质检等工作,96测绘技术装备第25卷境因素影响小的优势，近年来广泛应用于基础测绘 领域(门。(门。流域具有特有的地形地貌,兰州是我国唯 穿越的 城市，城市人文和自然的特殊 流域 保护的重要 在一起,加大了 LiDAR数据的生产难度，提高了对DEM 精细程度的要求。文主要介绍了沿黄河流域部分河段，利用 LiDAR点云数据 DEM的过程，同时针对 点区域进行研究并提出了特殊处理方法。方法，本文提出的新DEM生产流程大大提高了生产 效率、DEM的精细程度和数学精度,可以为 上保护 展 提供 的测绘地理信息数据及服务保，为 展 基础测绘提供有益的。2测区概况2.1测区范围测区范围测区位于 流域的临夏永靖至黄河石林段，行 于临夏回族自治州、兰州市、定西市、白银市。2.2 LiDAR点云数据初始资料情况点云数据初始资料情况LiDAR点云数据原始资料 始点云数据、预处理点云数据、滤噪点云数据和IMU/GNSS数据 文件%LiDAR点云数据平面坐标系为2000国家大 地坐标系，高-克吕格投影，中央经线为102。、105。，高程 为大地高。先利用 似大地水准面精化成果将大地高转换为正常高，之后才 能使用点云数据，点 成果格式为*l v s。3 DEM生产流程3.1 LiDAR点云数据预处理点云数据预处理点云的 区有63条航线，共72条数据，分 3个区，方向为东西和南北，点云数据量大,滤噪后 必 行裁切测区按 裁切线和1：50 000图 幅 行裁切，共211裁块。经检查，点 分布均匀、无异常点;平均点云密 度为0.7点/m2，点云精度为摄区高程精度 0.108 m%航带旁向平均重叠度为33%，重叠度范 围为16%58%3.2利用利用LiDAR点云数据进行高精度点云数据进行高精度DEM生产生产 的流程的流程对LiDAR点云数据进行高程转换、点云滤波、精 细处理、接边后构不规则三角网(Tr ia n/u l a tedDv Netio r k，TH)，内插生成DEM，生成的DEM经镶 嵌、裁切后 DEM成果，生产流程 1所示%机载LiDAR点云数据-点云数据去噪滤波-点云数据自动分类机载LiDAR点云数据卜-地面点云数据”|人机交2式建模桥梁、高架路等-非地面点云数据 J图1 DEM生产流程Fig.1 Proc ess of DEM produc t ion原始点云数据高程系统为大地高系统，为满足 成果要求，必利用 似大地水准面精化成果将大地高转换为正常高，坐标。由于按：1：50 000图框裁 后点云数据量仍然很大，生产 时需要再次进行分块，分块尺寸根据数据处理、硬件性能确定，本测区统一按照1：10 000标准图幅 行分块%4 LiDAR点云数据精细处理LiDAR点云数据处理的关键技术是滤波和分 类在点云数据处理中，滤 分类是两 穿插、相辅 成的概念，是为了将地面点与非地面点区 分出来(2)。本测区中，对于非地面点要区分桥梁 点，为使纠正后正射影像图(Digitv l Or th o ph o to Ma p，DOM)中的架，必 对点 分，DOM 正流 程，DEM 成 果点%4.1 LiDAR点云数据计算机滤波点云数据计算机滤波由于点云数据 穿透性，在扫描过程中，不同地物会产生不同的强度信息及回波次数。如当激光 的脉冲信 或地表时，仅 次回波，当 的脉冲信 植被时，多次回波%第1期刘巍:机载LiDAR技术在黄河流域高精度精细DEM生产中的应用97通过提取单次回波以及多次回波中最后一次回波数 据，可以分离出大量非地面点。再通过重 立地 面三角网模型不断分离出地面点，同时不断加入新 的扩展，最终 地表面(3)。点 机滤波主要是利用自动算法将点云数据按照噪声点、地面 点 分类点进行分类，分 放在相应的地类中。测区采用 研发的机载LiDAR点云数据处理系统LiDAR-DP进行点云数据处理。点云数据计算机滤波是一种改进的渐进三角网加密算法。经 典的渐进加密不规则三角网(Pr o o r essiv e TIN Den sO fic a tio n,PTIND)滤波算法最早由Ax el sso n提出，该 方法简称为PTD滤 法(4)。PTD方法无法在地形凸起区域有效地保护地形细节，PTIND的滤 法是近年 为稳健的滤 法(5)。本用的是经 后的渐进三 法。滤波后的效果如图2所示。(a)山区数据滤波前(b)山区数据滤波后(c)城区数据滤波前(d)城区数据滤波后图2山区数据、平坦城区数据自动化滤波前、后对比F ng.2BCompar nson of dat a nnmount annousarea andurbanarea beforeandaft eraut omat nc fnl t ernng滤波结果显示，改进后的渐进加密三角网算法对 低位噪声敏感，极易将低位噪声点或者低势地物点误 判为地面点。因此,本测区出现了将大片高密度 地全部判定为地面点的情况。地高约1.8 m，因植被密度较大，无法穿透点 冲信号%4.2 LiDAR点云数据人机交互式建模分类点云数据人机交互式建模分类点云数据分类中，存在 流域段的特殊自然特征及人文 的地面点 在点云数据中，地 的定义 学影像分类中的地 的定义有较大的区别。中，密集的地点云无法穿透 地面点抬高现象;黄河水面应该是 区,却因泥 量较大而使河面内分布着大量非地面点云数据，造成 流水涯线范围 判断难度，大量河面非地面点使分 作量加%因此，应结 际 对 点云数据进行 精细处理。区地形大致可分为城市地形、村镇地形、山 区地形、水域沿岸地形及水域1)城市地形。兰州市属于楼间距较小的楼房 密集分布型城市，在 间有很多 的房屋 房屋由于地基与屋后的 高差，同时其周围常被树木遮挡，导致缺失分 地面 点，按 点云数据,房屋周 出 同高差，生成 DEM后，房屋地基面为一个斜面，不符合房屋实际 情况(6)，必在分 处添 的高程以房屋周边正确的地基高程为准，使 面上下的点，而分 立模型构 的三角网。城市的点云分类中地貌平坦区域主要依靠计算 机自动 分 效果，而阶 状地貌多采用98测绘技术装备第25卷添加断裂线干预三角网方式,要求分类人员必须有 的外业测绘经验 悉度，能结合点 1面图精确判断房屋地基的坎上、3为添前、后的对比图3添加断裂线前、后对比Fig.3 Comparison before and aft er adding frac t ure l ines2)村镇地形影像精细分类的难点主要是当地 密集的 地由于数量大，分布散,自动滤波效果较时，需取局部区域高点深度。图4为区域 前、后的对比。3)区点云数据包括植被密集和植被稀少接 近无植被 两种地貌植被稀少的点云基 用 处理，只需要找回 滤波分错的 地面点。因 为植被密集导致地面点丢失的山区可以通过内插地 面点模拟出 的山区地形，5所示4)水域沿岸地形是本测区中的难点，也是影响 分类精度的区域。机滤波后，植被 的无 规律多坎地貌基本都无法精 目前的 方是区域 法 部辅助构建TI。图6为交互建模前、后的对比。(a)光滑前(b)光滑后图4区域光滑前后的对比Fig.4 Comparison before and aft er regional smoot hing图5内插地面点模拟出真实的山区地形Fig.5 Int erpol at ed ground point s t o simul at ereal mount ainous t errain5)本测区水域主要分为静止水域和流动水域。静止水域有贮水池、等。水域可采用、快速三角网约束置平水面，保证水域边线高程值一 致。黄河水域属于流动水域,需要根据高程变化分 段添加水涯线，原因是河流边线的高程值从上游到 逐渐降低(7)。水渠的宽度大多小于DEM格网间距5 m,不作 渠面处理。难点是 水面并不是，分布着大量非地面点。这是于泥 量大，了大量的冲信号，导致分 程中 水涯线的判断误 大,工作量 流动水域水涯 束如图7所示。4.3 DEM建立生产DEM时，利用经过精细处理后的地面点和 完成T增构建值 的是：点构网，格式为.s h yc。在 中成果DEM分辨率、数据格式，自动构网成海量DEM。DEM格网尺寸为5 m,图幅DEM裁切范围分别第1期刘巍:机载LiDAR技术在黄河流域高精度精细DEM生产中的应用99按照1：10 000标准分幅的内图廓线外接矩形外扩 10 m制作。(a)建模前(b)建模后图6交互建模前、后对比Fig.6 Comparison before and aft er int erac t ive model ing图7水涯线构建三角网模型约束后Fig.7 The c onst ric t ion of t riangul at ion model c onst raint s by hydrol ogic l ine5传统方式生产DEM与LiDAR点云 生产DEM对比5.1地形表达精细程度对比地形表达精细程度对比在城市平坦区域，影测量方式是通过在立体像对上 的地形特征点 构建DEM。因此，无法像高密度的点云数据一样反映地形的细 部，在精度上也逊色于点云滤波方式生成的DEM(8)。以银市区某区域为例对 方式生的 DEM Lo DAR 点 的 DEM，DEM置相同，面积相同，显示比例相同(都是1：),但 LiDAR点云生产的DEM能够表达非常精细的地形 特征，尤其是能 城市的多阶梯地形。除了的城市地形外，特殊地形区也能 非常细腻，如高 车站、铁路轨道等线状地表的模拟都达到 了很精细的地步，如图8所示。5.2 LiDAR点云数据生成的点云数据生成的DEM与传统方式生成与传统方式生成DEM 精在测区选取了 11处施测外业控制点，并分别与传统方式生产的DEM和点云生产的DEM进行精度 对比%LiDAR点云数据生成DEM高程值与外业控 点高程值之间的中误差见表1的Dz1，方式成的DEM高程值与外业控制点高程值之间的中 误差见表1的Dz2%点云生成DEM高程差中最大中误差为 0.284 m，与传统方式 DEM高程差中的最大中误差1.014 m相比降低了 0.37 m%点云生产的DEM中误差是0.13 m，方式 的DEM平中误 0.73 m 低了 0.6 m%图8 兰州西客站DEMFig.8 DEM of Lanzhou west rail way st at ion100测绘技术装备第25卷表1 DEM精度对比Tab.1BCompar nson of DEM ac c urac y点a 1a 2a 3P a 10a 11中误差Dzl/m0.1720.0750.1950.284 0.150.0460.13Dz2/m0.8190.8310.7951.014 0.7030.6380.736结束语本文结合基础测绘DEM制作项目，介绍了沿黄 河流域基于LiDAR数据的DEM生产流程及重点技 术。从与传统方式生产的DEM对比上可以发现，无 论是地貌精细度还是DEM精度,LiDAR数据生产的 DEM都有很大提高，点云精度相较传统方式生产的 DEM精度最大误差降低了0.6 m，平均中误差降低 了 0.73 m,作业时间缩短了两个月，工作效率提高 了 50%。快速发展的机载LiDAR测量技术为获取 高时空分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手 段，所获取的测量三维数据更精确9。沿黄河流域 的试验研究表明，点云数据能更精细地反映地形地 貌的真实形态，极大地提高测绘产品精度和产品 质量。参考文献1 张永林，翟永聪.机载激光雷达扫描技术生产DEM成 果的高程精度分析J.经纬天地,2020,6(3)：42-47.2 马洪超，姚春静,张生德机载激光雷达在汶川地震应急响应中的若干关键问题探讨J.遥感学报,2008,12(6)：925-932.3 陈方圆，李雪杉,王晶玉齐齐哈尔地区机载LiDAR数 据处理及DEM制作(J.测绘与空间地理信息,2020,43(S1)：128-130.4 AXELSSON P.DEM Gen er a tio n fr o m La ser Sc a n n er Da te Usin g Ad a ptiv e TIN Mo d el s J.In ir n a Po n a i Ar c h iv es o f Ph o ia mmmetm a n d Remo te Sen sin g,2000,33(B4):110-117.5 惠振阳，程朋根,官云兰，等.机载LiDAR点云滤波综 述J.激光与光电子学进展,2018,55(6)：7-15.6 姜奕婷浅谈基于LIDAR数据进行DEM生产过程中 若干问题的解决方法J.测绘与空间地理信息，2019,42(9)：173-175.7 王强辉，曾仁廉基于LiDAR生成的DEM水域半自动 置平处理方法J 测绘地理信息,2018,43(4)：68-70,77.8 罗火箭C来卡ALS70激光扫描系统在福建省基础测绘 生产中的应用J 测绘与空间地理信息，2021,44(9)：182-184.9 史长斌，曹爱民.基于LiDAR点云数据进行基础测绘 精细DEM制作J 东北水利水电，2017,35(12)：59-60,70.