Lidar數(shù)據(jù)處理(文字原理)

1、五、 航空遙感數(shù)據(jù)處理2、LIDAR數(shù)據(jù)處理LIDAR數(shù)據(jù)的處理主要分為三步：原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云分類(lèi)、DEM生成。三個(gè)步驟分別在ALSPP、Terra Solid及Erdas Imagine軟件中完成。Lidar數(shù)據(jù)處理流程圖如下：建模點(diǎn)ASCII文件Lidar原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)噪聲去除地面點(diǎn)選取建模點(diǎn)選取內(nèi)插DEM數(shù)據(jù)1） Lidar原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換Lidar原始數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換完成由Lidar原始數(shù)據(jù)向激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的工作，此步工作在ALSPP中完成。Lidar原始數(shù)據(jù)記錄脈沖發(fā)射角度、脈沖發(fā)射與返回的時(shí)間、脈沖返回強(qiáng)度、回波的次數(shù)等信息。將原始Lidar數(shù)據(jù)與由IPAS解算

2、出的定位定向數(shù)據(jù)相結(jié)合，計(jì)算出每一束激光所探測(cè)地物的三維坐標(biāo)，由此生成的Lidar數(shù)據(jù)表現(xiàn)為大量懸浮的、離散的沒(méi)有屬性信息的點(diǎn)陣，我們稱(chēng)之為“點(diǎn)云”。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理：在機(jī)載Lidar系統(tǒng)中，利用慣性測(cè)量單元（IMU）獲得飛行過(guò)程中的3個(gè)姿態(tài)角（），通過(guò)GPS獲得激光掃描儀中心坐標(biāo)（），最后利用激光掃描儀獲取掃描儀至地面點(diǎn)的距離，由此可以計(jì)算出此刻地面上相應(yīng)激光點(diǎn)（）的空間坐標(biāo)為：距離根據(jù)激光脈沖發(fā)射與返回的時(shí)間差計(jì)算得到，公式如下：式中，為光速，為激光脈沖發(fā)射與返回的時(shí)間差。2） 激光點(diǎn)云分類(lèi)激光點(diǎn)云分類(lèi)以分離出用于建立數(shù)字地面模型的激光腳點(diǎn)為最終目的，此步工作在Terra Solid軟件中完成

3、。Terra Solid系列軟件是基于MicroStation開(kāi)發(fā)的，主要有TerraScan、TerraPhoto、TerraModel等模塊，激光點(diǎn)云分類(lèi)主要在TerraScan模塊中進(jìn)行。根據(jù)數(shù)據(jù)所覆蓋區(qū)域的地形特征，利用點(diǎn)云的高程、強(qiáng)度、回波等多種特征信息，進(jìn)行點(diǎn)云去噪濾波、地面點(diǎn)提取等操作，步驟如下： 航帶重疊區(qū)域數(shù)據(jù)優(yōu)化組合數(shù)據(jù)獲取時(shí)，為保證對(duì)區(qū)域的全覆蓋，相鄰兩條點(diǎn)云數(shù)據(jù)間會(huì)存在重疊，數(shù)據(jù)處理時(shí)僅保留重疊區(qū)域內(nèi)質(zhì)量較好的點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)操作。倘若已知兩條數(shù)據(jù)有明顯的優(yōu)劣之分，則重疊區(qū)保留優(yōu)良航帶的數(shù)據(jù)。一般情況下，相鄰航帶的數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)。由于掃描角度越大，激光的測(cè)距精度越低，因此在重疊

4、區(qū)盡量保留掃描角度較小的激光點(diǎn)，刪除每條航帶的最邊緣數(shù)據(jù)。在處理過(guò)程中，設(shè)定閾值以保證每條航帶中心一定范圍內(nèi)的激光點(diǎn)保留。 地面低點(diǎn)去除在激光點(diǎn)云中，往往會(huì)出現(xiàn)一些點(diǎn)的高程明顯低于地平線(xiàn)，這些點(diǎn)的產(chǎn)生是因?yàn)榧す夤馐谏舷滦羞^(guò)程中發(fā)生折射，從而延長(zhǎng)了返回時(shí)間，使系統(tǒng)認(rèn)為被探測(cè)地物具有比真值要低的高程值，為無(wú)效數(shù)據(jù)，需剔除。采用差值法進(jìn)行地面低點(diǎn)去除。以被判斷點(diǎn)為中心，設(shè)定搜索半徑與閾值，計(jì)算該搜索范圍內(nèi)其它點(diǎn)與被判斷點(diǎn)的高程值之差，若所有差值都大于閾值，即被判斷點(diǎn)比其它點(diǎn)都低，則該被判斷點(diǎn)為地面低點(diǎn)，將該點(diǎn)分類(lèi)到地面低點(diǎn)（Low points）的點(diǎn)集中。 孤立點(diǎn)去除孤立存在的點(diǎn)，為需要剔除的無(wú)效

5、數(shù)據(jù)。采用區(qū)域搜尋的方式進(jìn)行孤立點(diǎn)去除。以被判斷點(diǎn)為中心，設(shè)定搜索半徑與閾值，若該搜索范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)少于閾值，則該被判斷點(diǎn)為孤立點(diǎn)，將該點(diǎn)分類(lèi)到孤立點(diǎn)（Isolated points）的點(diǎn)集中。 空中懸點(diǎn)去除空中懸點(diǎn)是激光脈沖遇到空中懸浮物（如灰層、飛鳥(niǎo)等）后返回的信號(hào)，為需要剔除的無(wú)效數(shù)據(jù)。以被判斷點(diǎn)為中心，設(shè)定搜索半徑、參與計(jì)算的最少點(diǎn)數(shù)和超限倍數(shù)，計(jì)算這些點(diǎn)的平均高程及標(biāo)準(zhǔn)差，若被判斷點(diǎn)與平均高程的差值大于標(biāo)準(zhǔn)差的若干倍，則將該被判斷點(diǎn)分類(lèi)到空中懸點(diǎn)（Air points）的點(diǎn)集中。 云去除激光脈沖打到云層后返回的信號(hào)，為需要剔除的無(wú)效數(shù)據(jù)。由于云層一般具有較高的高度，可在了解數(shù)據(jù)獲取區(qū)域

6、的地形特征后，利用數(shù)據(jù)的高程特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分選，設(shè)定閾值，將閾值之上的數(shù)據(jù)分類(lèi)到噪聲點(diǎn)的點(diǎn)集中。 地面點(diǎn)選取地面點(diǎn)的選取是在不斷細(xì)化地面三角網(wǎng)模型的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。首先，瀏覽所處理區(qū)域的地形，量測(cè)區(qū)塊內(nèi)較大建筑物的長(zhǎng)寬尺寸，確定一個(gè)初始長(zhǎng)度值a，使得在任何一處a*a的方形區(qū)域內(nèi)，都能找到一個(gè)激光點(diǎn)為地面返回的點(diǎn)。在每一個(gè)a*a的方形區(qū)域內(nèi)，找出一個(gè)最低點(diǎn)，構(gòu)建三角網(wǎng)，作為地面的初始模型。然后，通過(guò)設(shè)定地形約束條件搜索更多的地面點(diǎn)，每搜索到一個(gè)新的地面點(diǎn)，地面模型相應(yīng)更新。地形約束條件包括：地面最大坡度、被判斷點(diǎn)與當(dāng)前地面模型的距離、被判斷點(diǎn)和臨近點(diǎn)連線(xiàn)與當(dāng)前地面模型所構(gòu)成的角度等。當(dāng)所搜索到的地面

7、點(diǎn)達(dá)到一定密度時(shí)，結(jié)束任務(wù)。 植被點(diǎn)剔除地面選取時(shí)，可能會(huì)混入一些植被點(diǎn)，可利用植被的多次回波特性將這些點(diǎn)選出。當(dāng)一束激光脈沖有多次范圍信息時(shí)，末次有可能從地面返回，但首次和中間次一定不是來(lái)自地面，從地面點(diǎn)集中將具有多次回波特性的首次和中間次點(diǎn)選出，分類(lèi)到植被點(diǎn)的點(diǎn)集中。 模型關(guān)鍵點(diǎn)選取模型關(guān)鍵點(diǎn)為地面點(diǎn)集的子集。模型關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)集保留地面點(diǎn)集中反映地形特征的點(diǎn)，在一定的精確度要求下，這些點(diǎn)足以表示地形變化。模型關(guān)鍵點(diǎn)的選取和地面點(diǎn)的選取過(guò)程類(lèi)似。首先，設(shè)定初始采樣窗口邊長(zhǎng)b，b值的選擇根據(jù)需要而定，當(dāng)當(dāng)前任務(wù)需要建模點(diǎn)至少在b*b的范圍內(nèi)存在一個(gè)點(diǎn)時(shí)，就將該邊長(zhǎng)設(shè)為b。然后設(shè)定地面點(diǎn)高程上下容限。模型關(guān)鍵點(diǎn)搜索時(shí)，首先在每個(gè)b*b的窗口中提取高程最高與最低的兩個(gè)地面點(diǎn)，利用這些點(diǎn)建立初始的三角網(wǎng)地面模型。在接下來(lái)的搜索中，尋找與初始模型之差超出上下容限的點(diǎn)，在這些點(diǎn)里，保留差值最大的，添加到原模型中，形成新的地面模型。依此循環(huán)進(jìn)行，直到在剩下的地面點(diǎn)中再也找不到任何一個(gè)與當(dāng)前模型的高差超出上下容限的點(diǎn)，搜索結(jié)束。 保存輸出設(shè)定輸出路徑，將模型關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)集保存輸出為ASCII文件，ASCII文件中記錄各個(gè)點(diǎn)的（x，y，z）坐標(biāo)值。3） DEM生成這一步完成利用模型關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)的數(shù)字高程模型的工作。許多軟件都能完成這一步工