基于LiDAR数据的DSM和DEM制作研究

杨杰

摘  要：激光扫描雷达（LiDAR）作为一种高效的地形数据获取系统，可快速获取大面积、高精度的三维坐标点云数据。该文设计了利用LiDAR系统快速生成DOM的技术方法，通过对LiDAR获取的激光点云进行滤波和分类处理，并利用其生成的DEM，结合光学影像数据，快速生成数字正射影像产品。试验表明，采用LiDAR数据和数字影像相结合的方式生成正射影像图自动化程度高、生产周期短，能够满足快速正射影像图制作的要求。

关键词：LiDAR  POS  光学影像  DEM  DOM

中图分类号：P225    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）08（a）-0006-02

传统方式开展大比例尺正射影像图制作的过程主要包括航空摄影、像片控制点测量、空中三角测量、DEM采集和数字正射影像制作及镶嵌。在数据生产过程中，像片控制点测量和DEM采集耗时量较大、作业成本较高，作业周期长，已不能适应高精度、高效率和低成本的成图需要[1]，机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光测距技术、位置和姿态测量技术、数字航测技术迅速发展的集中体现[2]。作为一种主动式对地观测系统，机载激光雷达系统在直接快速地获取地球表面的三维空间信息的同时，还能获取地物影像信息。快速获取感兴趣区域的正射影像图，对城市建设和经济发展具有重要的现实意义[3]。LiDAR系统集激光扫描仪、POS系统、光学成像系统于一体，为快速正射影像图生产提供了快捷、高效的生产模式。

1  激光雷达系统组成

LiDAR系统一般由激光扫描测距仪、位置与姿态测量系统（POS）、光学相机、控制与数据记录设备、数据处理软件等部分组成。

1.1 激光扫描仪

激光扫描系统通常以直升机或固定翼飞机为飞行平台，通过激光扫描仪与POS系统对地面进行高精度、实时量测。主要利用激光光束俯视地面，在20°～40°的视场角范围内，沿左右方向对地面进行来回扫描，并通过反射镜接收被目标回波信号，获取测量数据。

1.2 位置与姿态测量系统（POS）

为了确保所获取数据的精度以及稳定扫描中心垂线，机载激光扫描系统配备有位置与姿态测量系统（POS）。原始POS数据中提取出GNSS数据、IMU数据和辅助传感器数据，然后和地面GNSS数据进行差分拟合得到曝光瞬间传感器中心精确的GNSS定位坐标，最后对IMU数据、辅助传感器数据和精确的GNSS定位数据进行解算，获取飞行位置和姿态参数（包括经度、纬度、高度、俯仰角、侧滚角、航向角）。

1.3 光学相机

机载激光扫描系统采用的相机通常为经过标定的中小像幅CCD相機，所获取的信息主要用于记录地物的影像信息，也可用于辅助目标分类。

1.4 控制与数据记录设备

控制及数据记录设备主要是协调各传感器的运行、记录回波数据、导航数据、扫描时间等相关信息，用于后续处理。

1.5 数据处理软件

数据处理软件包括POS数据后处理、计算激光采样点的坐标、数据分类、数据的特征提取以及融合等。

2  正射影像的制作流程

摄影测量直接获取的地面影像，由于传感器姿态变化及地形起伏等原因，存在地物位置偏差及地物变形的问题。正射纠正是解决这一问题的有效途径，可以有效地改正由于传感器镜头畸变、地形起伏引起的位置偏差，生成具有地图几何精度和影像特征的图像，即数字正射影像（Digital Orthophoto Map，DOM）。对于遥感图像解译、信息提取等具有重要意义。

采用LiDAR数据快速获取测区DEM，从而取代了通过光学影像空三加密、半自动采集的DEM获取方式，优化提高了生产效率。图1为正射影像制作流程。

3  试验过程

3.1 试验数据获取

该试验数据位于福建漳州沿海，获取数据时间为2014年8月，使用设备为leica蝙蝠II双色激光雷达，用于获取测区的水陆地数据形获取，测绘面积50km2，获取成果数据包括激光点云数据和可见光+红外多光谱影像，激光点云精度为陆地优于5cm、水下优于15cm，影像分辨率优于10cm。图2为Lidar点云数据。

3.2 试验软件

试验中主要使用的软件系统为Leica公司的数字摄影测量系统Leica Photogrammetry Suite（LPS）和Leica LIDAR Survey Studio（LLS）的激光扫描处理软件。LPS用于面阵影像的空三加密，DEM提取、DOM生成。LPS软件是一套商业化数据处理软件。将LiDAR系统自带的光学影像经过定向、空三加密、密集同名点匹配;LSS软件主要是对点云数据进行滤波操作，滤除建筑、树木等地面附属物，提取地面点生成DEM，以此为依据制作DOM，如图3所示。

3.3 试验主要过程

（1）空中三角测量。

空中三角测量主要是在LPS中建立影像工程文件，加入相机检校参数、投影信息、旋转系统等，向LPS工程文件中加载影像，导入由POS获取的外方位元素初始值，然后利用LPS的点量测工具，进行同名点全自动匹配，并确定同名点精度可靠，最后，利用地面控制点、检查点（控制点及检查点可从LiDAR点云数据提取）、同名点等数据进行区域网平差，得到空中三角测量结果。

（2）点云数据处理。

LiDAR系统获得的原始地形数据不仅包括地面点，而且包括地面上的所有地物，如建筑物、植被、水、道路等。因此需要将LiDAR数据进行滤波处理。LiDAR软件根据脉冲点的高程值分成多个高差段并赋予不同颜色值渲染成三角网，由此生成的LiDAR影像具有非常明显的彩色三维立体效果。在LLS中将点云数据分类，剔除掉明显的噪声，将离散的LiDAR数据点分成地面点和非地面点。

（3）DEM生成。

地面高程数据DEM仅需要地表裸露点，由完整地块的地表裸露点三维数据构成地面高程模型DEM。经过点云分类处理剔除非地表点并归类后，所有剩下的LiDAR数据都是地面点数据，即可生成高精度的DEM。

（4）DOM制作。

在LPS下进行正射操作，首先创建工程文件，工程文件包含了试验区域内的图像、相机参数、地面控制点以及其他相关信息。由于所采用的数据是CCD影像， 所以这里需要设置相机模型为digital camera，然后设置工程文件的地图投影参数和相机模型参数，设置DEM的来源为由LiDAR数据生成的DEM文件， 然后加入影像数据，进行纠正。

在进行镶嵌和裁切时应注意：在进行裁剪时拼接线应尽量绕开居民区。由于影像获取时姿态不同，像对之间房屋阴影的方向、大小不同，此时拼接线较明显。镶嵌成图时，尽量沿线状地物变换处画镶嵌线，避免穿越房屋、地块、变形地物等;最后，还应注意影像间的重叠关系。

4  结语

该文通过原始LiDAR点云数据进行预处理获取数字表面模型（DSM），经过滤波分类，生成DEM产品，最后结合面阵影像数据生成正射影像图。通过试验进行了有益的尝试，该方法可实现无地面控制点的快速、高精度正射影像图制作，大大缩短了生产周期，加快了数据的获取与处理速度，对于应急测绘保障具有重要的意义。

参考文献

[1] 傅月波.基于机载LiDAR数据的数字正射影像制作与研究[J].测绘通报，2012（10）：55-57.

[2] 万霞，郦淑俊，王朝晖.一种快速的正射影像制作方法[J].现代测绘，2006（3）：34-35.

[3] 陈强，丁晓利，刘国祥.PS-DInSAR公共主影像的优化选取[J].测绘学报，2007（4）：395-399.