测绘论坛▏机载激光雷达数据处理研究

机载激光雷达扫描数码摄影测量系统是近些年来公路行业初步设计应用较广泛的一种勘测手段，其具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点，其获取到的地面点密度大，尤其是在高程精度方面优势明显，该系统处理得到的正射影像能够给内业人员提供丰富的参考资料。

公路勘测数据准确性和精度直接影响到后续设计质量，因此对机载Lidar的成果数据进行一定的分析和处理，可以达到提高数据精度和工作效率的目的。

随着公路三维可视化设计的需要，数字高程模型得到了越来越多的应用。数模应用是公路勘测设计建立三维数模的最终目的，其核心问题在于高程插值和对数模进行各种方式的剖切。目前国内外各种建模软件种类繁多，而且发展已日渐成熟。

本文重点关注的是利用机载Lidar这种勘测技术手段，结合外业实测点、正射影像、相关软件以及相应接口程序的编写，对海量激光点云数据进行改正和处理，为构建数字高程模型提供更加精细、更加贴近显示地貌的源数据。

一、研究背景

⒈ 机载Lidar数据

机载lidar由GPS、IMU（惯性测量装置）、数码相机、激光扫描等单元组成。其测得的数据以DSM(数字表面模型)的离散点表示，数据中包含有空间三维信息和激光强度信息。应用分类技术在这些原始DSM模型中删除建筑物、人造物、覆盖植被等测点，即可以得到DEM(数字高程模型)，并同时得到地面覆盖物的高度。

机载lidar得到的作业成果包括激光点云数据（分为地面点云和非地面点云两种），正射影像图，数字高程模型DEM，以及数据处理与计算过程的各种报告文件等。激光点云数据的密度大，高程精度高，可大大减少野外测绘人员的工作强度，激光点云数据通常为*.coo或者*.xyz格式；正射影像数据常为*.jpg或者*.tif格式。

⒉ 路线设计软件

公路设计软件指公路计算机辅助设计软件系统（CAD）。具体又分道路和桥梁计算机辅助设计软件系统两种类型。国际主流道路辅助设计软件主要有：CARD/1、Bently、Civil3D。国内道路辅助设计软件主要有纬地道路辅助设计系统（HintCAD）,路线大师，EICAD，海地公路优化设计系统（Hard）等等。

⒊ 程序设计

接口程序的设计语言为C#，程序设计系统平台采用Microsoft Visual Studio 2005。

二、数据处理流程图与接口程序

　　图1 机载激光雷达数据与线路设计软件接口流程图

⒈ 数据采集

数据采集包括对地物、地貌的空间信息与属性信息的采集，包括机载Lidar数据后续处理的地形图矢量化数据，野外采集实测数据等，建立地面断裂线集，地物数据集等。

⒉ 初级三维地形图制作程序

利用采集的地面特征线集绘制初级三维数字地形图，结合地物数据集新建三维地形图3D-JMD（居民地层）、3D-DLSS（道路设施层）、3D-SXSS（水系设施层）、3D-DMTZ（地貌特征层）等新图层，并着色表示房屋、道路、水系、坡坎等三维特征线，做到各类特征线分层存储。

初级三维地形图中需要展入所有人工实测的地面点数据。

⒊ 数据检查

对初级三维地形图的数据检查有两种方法，一种是生成等高线检查，等高线突变和异常区域为重点检查区域；第二种是建立初级DEM模型（6），进行地表可视化检查。通过检查剔除粗差点和错误点，室内无法判读的需外业调查核实或者重测。

⒋ 激光点云改正程序

模块一：对特征线间点云数据的处理。如双线路面间，闭合水域间、双线沟渠间、陡坎坎上砍下间。此步针对双线型特征线、闭合水域特征线，构建与识别特征线，构成封闭区域计算，自动删除封闭区域内的激光点等。

模块二：特征线邻域内点云数据的处理。利用缓冲区分析，对每条特征线附近区域设置阈值，距离阈值内的点云进行自动删除。

模块三：激光点云高程改正，利用实测数据进行区域改正

此步骤针对密林地区、局部地区等激光点云与野外实测散点高差相差较大区域的区域性高程改正。包括，绘制区域范围线——范围线提取——改正值设置——区域高程改正等功能的编程和操作。

以上三个模块在人工实测数据与正射影像图的图像分析的基础上进行，原始激光散点数据在进行上述三个模块处理前，先根据设计线位和设置宽度情况自动进行数据过滤与压缩，以提高数据处理速度。

⒌ 数据融合生成三维地形图

该步骤设计了“激光点云数据格式转换接口程序”。

修正后的点云数据经过接口程序进行格式转换，把经过点云改正处理过的“*.coo”格式转为“*.dat”格式，AutoCAD可以把dat格式的激光点云数据展入视图中。把经过数据检查的三维地形图叠加进来，生成附带有激光点云数据的三维地形图。该三维地形图既可以带有原始地形图信息，也可以带有属性信息（7），最重要的是可以直接引入道路设计软件中进行建模以及数模应用。

三维地形图制作时可以适当扩大激光点云数据范围，在线位调整、工期紧张的情况下可以作为应急补充数据，超出修测激光点云区域的数据在线位基本确定后再进行补测和补修（8）。

⒍ 逐桩坐标计算程序

该接口程序用于计算设计线位与地面特征线交会点的坐标，并按顺序插入到相应固定间隔中桩桩号文件中，该中桩桩号文件可引入道路设计软件中直接使用，指导道路设计软件建模后的纵断面剖分。程序包括纵断面上的中桩加密计算和横断面测点加密计算，确保两个方向上的要素点数据完整性，此步骤主要提高了路桥设计软件在建模剖分地面线时的数据可靠性。

⒎ 断面测量

主线横断面根据初步设计平面总体设计图测量其宽度，按一定中桩间隔提供一条横断面数据，横断面左右宽度提供到规定范围以内存在三维地形图数据的范围。

以“纬地”软件为例，引入数据融合后的三维数字地形图，利用三维空间点、三维线图层作为约束条件，建立测区Delauney三角网，形成区域精细数字地面模型（TIN）（9）；引入逐桩坐标计算后生成的桩号sta文件，内部文本格式为每行：“里程…，高程…”；最后，在数字地面模型上剖分能满足公路施工图设计要求的线路横断面。

横断面检查采样抽查的方式进行，沿线分布均匀，比较实测横断面特征点与提交的成果横断面线上等距离位置的高程较差，横断面高程检查限差满足下式的规定：

三、结束语

接合CAD，纬地道路、南方cass等软件的优点，编写相应的处理程序和接口程序，有效利用了各种软件的优势，数据融合后的三维地形图，除了带有实测三维点要素、三维线要素、注记要素外，还附加了经过高程改正与剔除等操作后的激光点云数据，该三维地形图不但精度得到了提高，大量的激光点云的加入，为后续精细三维建模提供了必要的条件，为未来公路动态三维可视化设计的发展提供了数据基础。道路设计者可直接引入该三维地形图的空间要素图层进行数模构网与数模应用，减少了设计部门设计过程中与勘测部门互提线位与地面线资料的时间消耗，提高了工作效率。

■作者/杨雪，文章标题进行了修改，来源于网络。