機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及處理流程

　　1、引言

　　機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR，Light Detection and Ranging)主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)、光學(xué)機(jī)械掃描單元、控制記錄單元、全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)、慣性測(cè)量系統(tǒng)(Inertial Measurement Unit，IMU)以及一套成像設(shè)備。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)以飛機(jī)為載體，按設(shè)計(jì)航帶獲取高精度、高分辨率的地表三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這時(shí)一種全新的技術(shù)手段，其數(shù)據(jù)獲取和處理方式彌補(bǔ)了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的缺陷，使得數(shù)據(jù)生產(chǎn)朝智能化和自動(dòng)化的方向更進(jìn)了一步。

　　Lidar的出現(xiàn)不僅使得攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)獲取能力有了空前的提高，也給數(shù)據(jù)處理和信息提取提出了新的要求。之前攝影測(cè)量技術(shù)主要集中在影像數(shù)據(jù)的光譜信息處理上，而Lidar獲取的三維空間數(shù)據(jù)是一系列隨機(jī)離散的不規(guī)則點(diǎn)，其在三維空間的分布形態(tài)為數(shù)據(jù)點(diǎn)云，可以稱為數(shù)字表面模型（Digital Surface Model-DSM）。在這些激光腳點(diǎn)中，有的點(diǎn)位于真實(shí)的地形表面，有的點(diǎn)位于地物或植被頂面上，要得到通常說的Digital Terrain Models-DTM 或者 DEM，還需進(jìn)行后續(xù)處理。而自從 Lidar的出現(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理研究一直是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)或難點(diǎn)，其中濾波算法是重要的處理手段。

　　2、LiDAR數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及處理流程

　　2.1 LIDAR數(shù)據(jù)組成及存儲(chǔ)格式

　　機(jī)載LiDAR對(duì)地表目標(biāo)信息采集過程中，各個(gè)部件都采集相對(duì)應(yīng)的信息數(shù)據(jù)，主要有同步時(shí)間數(shù)據(jù)、DGPS定位數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)等過程數(shù)據(jù)，以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)、回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)等結(jié)果數(shù)據(jù)。目前各種類型的商用機(jī)載LiDAR所采集的數(shù)據(jù)也存在很大差別，在實(shí)際應(yīng)用中，常用的信息為激光脈沖返回的地物的點(diǎn)云幾何數(shù)據(jù)（坐標(biāo)數(shù)據(jù)）、激光強(qiáng)度數(shù)據(jù)和激光回波數(shù)據(jù)等。

　　2.1.1數(shù)據(jù)組成

　　1.幾何數(shù)據(jù)

　　LiDAR 主要由 GPS、IMU 以及激光測(cè)距儀解算出來的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)組成，它記錄了整個(gè)飛行區(qū)域的所有地物地形點(diǎn)的 3D 空間信息，通過坐標(biāo)解算和轉(zhuǎn)換完成整個(gè)地物區(qū)域的大地坐標(biāo)換算。也是核心數(shù)據(jù)部分。

　　2 .激光強(qiáng)度數(shù)據(jù)

　　接收機(jī)接收的反射激光脈沖束與測(cè)距儀發(fā)射的激光脈沖束能量比稱為激光雷達(dá)的回波強(qiáng)度。激光強(qiáng)度信號(hào)反映的是地表物體對(duì)激光信號(hào)的響應(yīng)特征，激光束的回波強(qiáng)度與激光束照射到的地面及地物的類型有關(guān)，不同材質(zhì)目標(biāo)反射的激光強(qiáng)度也不同，因此可以利用回波強(qiáng)度信息對(duì)反射強(qiáng)度差異較大的區(qū)域進(jìn)行濾波、分類。

　　3.激光回波數(shù)據(jù)

　　不同的地物其回波次數(shù)和回波強(qiáng)度是不同的，當(dāng)激光脈沖掃描到植被時(shí)，激光束可以穿透植被形成多次回波，而當(dāng)脈沖掃描到光禿的地面或平整裸露的建筑物頂面時(shí)則只產(chǎn)生一次回波。

　　4.光譜數(shù)據(jù)

　　機(jī)載LiDAR能夠快速獲取地表目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，但受激光特性的限制，不能夠獲取反映目標(biāo)特征的光譜信息，所以很多機(jī)載LiDAR都同時(shí)搭載了多波段傳感器或CCD相機(jī)，用來獲取地表的影像數(shù)據(jù)。通過影像融合技術(shù)，可以將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地表的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合獲取每個(gè)激光腳點(diǎn)的光譜信息，應(yīng)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理。

　　2.1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式

　　目前，國(guó)際上采用的 Lidar 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式采用ASKII碼、柵格文件和自定義二進(jìn)制格式等來存儲(chǔ)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，但這三種格式有其各自的弱點(diǎn),都不是目前標(biāo)準(zhǔn)的Lidar 商業(yè)數(shù)據(jù)文件格式。2003年5月，美國(guó)攝影測(cè)量與遙感（ASPRS）機(jī)構(gòu)下的 Lidar 委員會(huì)發(fā)布了Lidar 數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)LAS1.0版本。隨后該組織又陸續(xù)推出了更新版本。它是一種開放而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩M(jìn)制式的數(shù)據(jù)存取與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架，用于儲(chǔ)存通過DGPS、IMU、激光測(cè)距數(shù)據(jù)生成的地表目標(biāo)激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)格式的擴(kuò)展和兼容性，已經(jīng)被全球主要生產(chǎn)商所認(rèn)可和使用。LAS1.0數(shù)據(jù)格式定義了數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以及可供擴(kuò)展的參數(shù)，數(shù)據(jù)文件由公共數(shù)據(jù)塊（PublicHeaderBloock)、可變長(zhǎng)數(shù)據(jù)記錄（Variable Length Records)以及點(diǎn)數(shù)據(jù)(Point Data)3個(gè)部分構(gòu)成。

　　在公共數(shù)據(jù)塊中，記錄了文件標(biāo)識(shí)、飛行時(shí)間、回波次數(shù)、存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄所用的數(shù)據(jù)格式類型、坐標(biāo)方位等信息，詳細(xì)描述了數(shù)據(jù)采集的基本信息。這些詳細(xì)的數(shù)據(jù)采集信息為數(shù)據(jù)的后續(xù)分析處理提供了必要的基礎(chǔ)信息。

　　2.2LIDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)

　　1.離散性

　　機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)在空間分布形態(tài)表現(xiàn)為一系列離散分布的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)云。這種離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)云空間分布形態(tài)主要取決于地表形態(tài)以及數(shù)據(jù)采集方式。

　　2.多次回波

　　在城市地區(qū)，最有價(jià)值的通常是首次回波和末次回波，首次回波一般來自最高層次的物體，如建筑物頂、樹木頂層等；末次回波則通常來自地面。

　　3.存在數(shù)據(jù)缺失和水體吸收

　　機(jī)載LiDAR是通過接收被目標(biāo)反射回來的激光脈沖來獲取目標(biāo)物的信息，回波的強(qiáng)度與目標(biāo)的材質(zhì)有關(guān)。有的物體對(duì)激光的吸收程度較大，因此在該區(qū)域可能出現(xiàn)缺失回波點(diǎn)的情況。而在水域，大部分激光束被水體吸收，也會(huì)導(dǎo)致回波信號(hào)的缺失。

　　4.數(shù)據(jù)量龐大

　　激光雷達(dá)數(shù)據(jù)有很高的采樣率，數(shù)據(jù)精度也高，但這些優(yōu)點(diǎn)都是以海量數(shù)據(jù)為代價(jià)的。

　　機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)還有其他特點(diǎn)，如：分布不均勻、不含光譜信息、可以記錄地物反射強(qiáng)度信息等。

　　2.3Lidar 數(shù)據(jù)處理流程

　　機(jī)載 Lidar 數(shù)據(jù)處理是一個(gè)很復(fù)雜的過程，概括地說，整個(gè) Lidar 數(shù)據(jù)處理可分為六個(gè)步驟：

　　1.通過DGPS/IMU組合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)精確確定遙感平臺(tái)的飛行航跡。

　　2.通過對(duì)激光測(cè)距數(shù)據(jù)、IMU姿態(tài)數(shù)據(jù)、DGPS數(shù)據(jù)以及掃描角數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，計(jì)算出激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。一般都由機(jī)載LiDAR系統(tǒng)生產(chǎn)商提供的軟件進(jìn)行自動(dòng)處理，得到激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　3.應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分類、建筑物邊緣提取以及建筑物三維重建等數(shù)據(jù)后處理。

　　4.機(jī)載LiDAR系統(tǒng)在完成對(duì)整個(gè)區(qū)域地掃描過程中，采用分航帶的方式進(jìn)行飛行，航帶間保證一定的重疊度。在數(shù)據(jù)后處理過程中通過航帶間的重疊部分將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，組成一個(gè)完整的目標(biāo)區(qū)域。

　　5.將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成用戶需求的坐標(biāo)系統(tǒng)。

　　6.將濾波、分類獲得的地面點(diǎn)，通過相應(yīng)的操作生成DEM、DSM和DOM等最終的測(cè)繪產(chǎn)品。

　　3. LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波

　　3.1 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波定義

　　機(jī)載 LiDAR數(shù)據(jù)濾波可這樣定義：對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照非地面點(diǎn)和地面點(diǎn)兩種方式分類，將非地面數(shù)據(jù)剔除生成只包含裸地地形數(shù)據(jù)點(diǎn)的過程稱為濾波。圖1顯示了濾波的過程，上圖為包含有地物（人工地物和自然植被）的點(diǎn)集合，濾波后的結(jié)果為下圖形式，只是地形點(diǎn)的點(diǎn)集合。

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