LiDAR-DP在广西多植被及陡石山DEM生产中的应用

刘润东，赵学松，宋袁龙

(1.广西壮族自治区遥感信息测绘院, 南宁 530000； 2.西安煤航技术发展研究院,西安 710054)

在机载LiDAR数据处理软件方面，目前的主流是由芬兰软件公司基于MicroStation平台二次开发的TerraSolid。其余软件还有ArcGIS和LasTools合作推出的点云处理模块、GlobeMapper的点云数据处理模块等，但是应用程度没有TerraSolid广泛。国内软件有中国测绘科学研究院研发的LiDAR-Station；武汉大学的LiDAR Suite；数字绿土公司的LiDAR360，以及西安煤航研发的LiDAR-DP。目前在DEM生产领域，相对其他软件LiDAR-DP，应用较为广泛。该软件可以对机载LiDAR点云数据进行全流程数据处理，包括点云数据的预处理、滤波、交互分类、输出DEM等功能，并且针对植被密集区域和水域较多的区域有高效的处理方法，非常适合广西多植被多水域的地貌特性。

本文使用煤航软件LiDAR-DP，针对广西具有代表性的密集植被区域以及陡石山等地貌点云进行了生产实验，并总结了在该类地貌进行机载LiDAR数据生产的经验和技巧。

1 基于LiDAR-DP的点云数据处理流程

目前大部分数据处理都有相应的自动化方法，但是机载LiDAR数据分类依然是一项流程较为复杂的工作。LiDAR处理点云数据有以下步骤：点云消冗、点云分块、点云自动分类、点云交互编辑分类、栅格内插DEM，流程如图1所示。

1.1 点云消冗

机载LiDAR的航带之间有一定的重叠度，在重叠区域内的点云为后续的数据处理增加了运算量，并且浪费存储空间，因此，首先需要将其去除。LiDARDP提供了点云消冗功能，与现有其他软件不同，该功能可以无需依赖航迹信息对重复点云进行去除。该过程为自动化处理，仅需将多个条带点云依次导入软件，即可自动计算。

图1 LiDAR-DP点云数据处理流程图

1.2 点云分块

LiDAR-DP能够根据国标生成1:500～1:10 000比例尺标准分幅框，可以将整个测区多个条带点云批量导入，按照标准图框进行裁切，生成数据块便于多人协作进行后续数据处理。

1.3 粗差分类

机载LiDAR数据中会存在一些离群点（极高点或者极低点），这些点云会对后续的数据处理造成干扰，尤其是低点，会导致地面点分类出现高程过低的错误，因此，该类点云需要从数据中去除。使用LiDAR-DP的去除粗差功能可以进行自动处理，分离粗差点云。

1.4 点云滤波

点云滤波就是对地面点进行自动分类。LiDAR-DP实现了一种改进的渐进三角网加密算法，能够对大多数地形进行自适应分类，对于本次使用的广西点云数据，正确率能够达到95%以上，大大减少了后续的人机交互编辑工作。

1.5 交互编辑

对于自动化分类错误的区域，需要人机交互进行核查修正。LiDAR-DP的交互编辑功能非常强大，提供了多种自动化算法辅助的交互编辑工具，在密集植被导致的地形缺失区域，软件提供了半自动地形内插工具，在坡度较大的陡石山区，软件提供了曲面添加地面点功能。尤其在水系较多的区域，可以使用LiDAR-DP的断裂线模块快速添加特征线，使水面平整。

1.6 输出DEM

在地面点分类完成后，DEM的内插可以自动化批量处理。将分类后的点云、生成DEM的图框和采集的断裂线元素导入LiDAR-DP的DEM批处理模块，软件可以全自动输出DEM成果并自动接边。

2 广西多植被及陡石地貌LiDAR点云生产实验

本次生产实验选取了近200 km2广西地区具有代表性的熔岩地貌以及植被覆盖密集的机载LiDAR点云数据，数据采集按照生产1:5 000 DEM的要求，平均点密度1.5个点/m2。根据LiDAR-DP的数据处理流程，对实验区域数据首先进行了条带消冗和点云裁切。点云消冗无需参数输入，仅需按照条带排列顺序依次加入数据，LiDAR-DP就可以自动计算，生成无重叠的点云。点云裁切使用了LiDAR-DP生成的CGCS_2000坐标系下1:5 000标准梯形图框对点云进行分幅，分幅参数设置如图2所示。

图2 图框生成参数设置

图3 点云滤波参数设置

将裁切获得的点云数据块添加到LiDAR-DP批处理，分别进行了粗差去除和点云滤波。其中，粗差去除采用软件设置的默认参数，滤波的参数如图3所示，实验区域山形较为陡峭，经实验验证，增加角度阈值、减小建筑物边长尺寸参数可以获得较好的滤波结果。

在自动化滤波之后，对每块数据采用人机交互的方式精细化地面点分类。本次实验区有大量的裸露石山区，该类地形的点云大多较为连续，但是极为陡峭。这样的区域需要用人机交互的方式进行重分类，在该类地区使用LiDAR-DP的曲面模型分类的工具，可以简捷地重分类陡峭石山地形，地形编辑前后如图4所示。在植被密集的区域，容易出现树木遮挡导致的地形缺失，手动添加地面点效率很低。LiDAR-DP提供的地形修补工具可以很好地解决该类问题，能够对缺失地表进行自动内插，恢复地表形态。广西境内水域较多，本次实验区也包含大量的水域，均需要添加大量的断裂线，以保证水面平整。使用LiDAR-DP的断裂线模块，可以快速添加闭合曲面断裂线和渐变高程的河流断裂线，图5所示。

图4 陡石地形修复前后对比

图5 闭合断裂线添加前后对比

在精细地面点分类完成后，将分类点云、DEM成果图框和采集的断裂线数据批量导入LiDAR-DP的DEM内插批处理模块，即可自动化生成DEM产品，如图6所示。DEM批处理参数设置需要注意，选择的类别应为地面点的类别，格网间距要与图框保持一致，具体参数如图7所示。

图6 DEM成果局部渲染图

图7 DEM批处理参数设置

4 结 语

本文讨论了国产机载LiDAR数据处理软件LiDAR-DP的数据处理流程和功能特点，并选取广西境内约200 km2的实验区，使用LiDAR-DP进行了数据处理，最后生成了1:5 000高精度的DEM成果。实验区的数据处理实验表明，LiDAR-DP涵盖了机载LiDAR点云数据处理的全部流程，并且简单易学，一些独特的数据处理功能大幅提高了作业的效率，完全满足实际生产的需求，对该类似地貌的LiDAR数据处理有一定的借鉴意义。