基于LiDAR数据快速提取河道断面图方法探索.doc

基于国产机载LiDAR系统快速获取河道断面图的方法探索杨蒙蒙① 李军杰②③ 李世明④ 左建章③（①辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；②河南城建学院，河南 平顶山 467000；③北京四维远见信息技术有限公司，北京 100039；④昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）摘要：本文基于国产机载LiDAR系统组成及工作原理，有效利用所获取的影像、激光点云和POS数据，探索将其应用于快速提取河道断面图的方法，通过实际工程分析验证了该方法的可行性，且验证了相对于传统断面获取模式的优越性关键词：国产LiDAR系统；集成原理；河道断面图 Exploring the method of quickly get river profiles based on the domestic airborne Lidar YANG Meng-meng① LI Jun-jie②③ Li shi-ming④ Zuo Jian-zhang③（School of Geomatics，Liaoning Technical University，Liaoning Fuxin 123000，China）一、绪论在河道管理、治理以及河流径流量监测过程中需勘测大量河道横断面图，传统方式获取断面信息存在着一定的局限性，主要表现在以下两个方面：第一，数据获取手段的局限性。

传统方式获取数据往往采用全站仪、RTK等设备人工定距、定量采集一组离散观测点，每测一个断面都要相应搬迁设备，重新设置基准进行观测，同时视野受到周围物体的影响，消耗大量的人力、物力，并且作业周期长第二，数据量的局限性采用传统方式获取断面信息，难以获取断面线上任意点位的高程信息，认为两个观测点之间河底高程沿断面线是线性变化的，而在自然河道中，由于断面线上各点河床地形特征不同及受河流冲刷程度的不同，使得断面线上相邻两个观测点之间的河底高程沿着断面线是非线性变化的机载激光雷达系统作为一种主动式新型遥感信息获取手段，具有高效、快速、受天气影响小、多回波性、穿透性强、数据精度高等优点，将其沿河道飞行获取河道及两岸的激光点云数据，可以快速获取任意河道横、纵断面图，突破传统方式获取的局限性，并且效率高、周期短、成本低本文主要探索利用机载激光雷达系统获取的河道两岸点云数据、影像数据与POS数据，尽可能挖掘数据，将其更好的应用到提取河道断面图上，以达到提高效率、节约成本的目的二、系统集成与工作原理2.1 系统集成图1 系统集成图机载激光雷达系统（SW-LiDAR）主要由国产轻小型LiDAR、单镜头数码航测相机（SWDC-1）国产高精度POS（POS2010）、和经过改装的飞行器进行有效集成，系统集成如图1所示，其中，轻小型LiDAR主要用于获取激光发射（接收）中心点到被测目标点之间的距离、角度、回波强度等信息，具体参数为：测距测程50-1500m，扫描视场[-45 45]，测距分辨率5mm，测角分辨率0.072度，测角精度0.18mrad，采样频率100-200KHZ，光斑尺寸33mm@100m，回波1-4次。

SWDC-1数字航测相机主要用于获取高分辨率航空影像，焦距35mm，影像为5410×7210像素；POS2010主要用于获取载体高精度的定位定姿数据, IMU采样频率为100HZ，GPS采样频率为10HZ，方位精度优于0.05度，水平姿态精度优于0.02度2.2 工作原理将激光扫描仪安置在飞行器上，通过记录发射的激光脉冲从地面反射到接收的时间值，精确获取扫描仪发射点到目标地物点的距离，POS2010主要由惯性导航单元INS与全球定位系统组成，通过GPS获取精确的位置信息，INS获取飞行载体的姿态参数（横滚角（Roll）、俯仰角（Pitch）、航向角（Heading）），综合GPS获取的航迹信息、INS获取的姿态参数及LiDAR获取的角度、距离等数据，可以确定每个目标点的三维坐标值 三、方法研究辅助国产机载LiDAR系统 POS数据组合导航处理 POS数据影像数据预处理TIFF影像快速正射激光IMPplr文件点云数据剔除杂点提取地面点获取裸地点选取特征点格式转换导入CASS生成里程文件绘制断面图图2 流程图利用国产机载激光雷达系统（SW-LiDAR）获取断面图，激光点云数据点云密度比较大，而软件承载的数据量有限，故需要尽可能减少数据量、增加特征点、删除多余点，该系统获取的数据包括POS数据、激光数据、影像数据，应将这些数据最大程度应用到绘制断面图的过程中。

首先，POS数据需要利用组合导航软件进行处理获得运动载体的定位、定姿参数，其中GPS数据采用差分处理方式，IMU数据采用松组合方式进行处理POS数据在快速正射生成过程用于提供影像曝光时刻的外方位元素，同时在点云数据生成过程起到重要作用其次，影像数据经过处理获取最终的快速正射用于辅助断面图的生成，为其提供特征点所在位置的属性信息最主要的处理部分为激光点云数据处理，包括激光点云数据生成、剔除测区点云数据中的杂点，提取出地面点，并且将地面点中的植被剔除提取出裸地激光点云数据，从裸地面激光点云中提取出断面线上特征点，由这些数据之后，只需要将格式转换为dat格式数据，导入软件中即可绘制断面图处理流程图如下所示：3.1 数据处理机载SW-Lidar系统获取的原始数据为影像数据（3FR格式）、激光点云数据（*.IMP）、POS数据（*.IMR格式），需要对这些原始数据进行处理，数据处理这一环节为关键阶段3.1.1 原始数据预处理1）影像数据预处理，SW-Lidar系统飞行结束后获取的影像为3FR格式，利用Flexcolor4.6将其转变为3F格式，根据实际影像航拍情况对其进行匀色处理，保存为16位RGB的TIFF影像。

然后利用畸变差改正软件添加该系统涿州检校场获取的检校参数对影像进行畸变纠正，选择输出目录保存畸变纠正后的TIFF影像，即完成了影像预处理2）POS数据预处理，基站数据（*.t01）、移动站数据（*.t01）、IMU数据（*.syn与*.nav），处理组合导航数据需要先将数据进行格式转换，包括基站移动站由T01格式转换为dat格式，然后再转换为NASS格式数据，利用组合导航软件将GPS数据利用动态差分处理，IMU数据采用松耦合或紧耦合方式处理，然后将数据进行组合及平滑处理，获取定位定姿数据3）激光点云数据预处理，该系统获取的PLR文件包括角度、距离、时间、回波等数据，结合pos数据利用研发的点云数据生成软件GEO-VISION Point Cloud解算生成WGS-84/西安80坐标系下的高斯投影坐标文件（*.XYZI）3.1.2提取特征点从预处理之后的激光点云数据中提取地形特征点，是非常关键的一步，如果特征点的选取不足或精度不高都会明显影响河道断面图的效果，地形特征点的选择可以分为以下几个步骤：1）剔除杂点；密集的激光点云中的杂点包括两类，第一类为明显的错误点，这些点的高程远远超出整个地形的高程范围，通过截取剖面可以明显看到，如下图所示，按照高程分类可以剔除这些错误点，第二类杂点为明显低于地面的点，称为低点（Low points），分离低点即把较低的点从相邻的点中分离出来，采用算法为：用一个点（中心点）的高程值与给定距离范围内每一个点的高程值比较，如果中心点明显低于其他点类，则这个点被分离出来为一类，但是有时会有错误点密度比较高的情况，杂点的距离比较近，搜索单一点不容易发现，这种情况时采用组的方式将其分离处来，具体如图所示：图3 高程异常杂点 图4 分离低点界面窗口2） 提取地面点；地面点分类的原理是通过反复建立地表三角网模型的方式分离地表上的点，窗口如下图所示：设置最大建筑物边长Max Building Size，输入地表所允许的最大坡度Terrain angle，反复参数包括迭代角度与迭代距离，主要用于决定一个点有多近才能被纳入三角平面，即点之间有多近才能参与建模。

Iteration angle 参数是一个点和三角型的最近顶点的连线与这个三角形最近顶点的连线与这个三角形所构成平面最大夹角，Iteration Distance参数确保当三角形很大时，重复向上构建三角形没有大的跳跃，着有助于把地矮建筑物排出在外，两个参数的定义具体如下图所示，地形起伏变化越小，设置angle值也越小，一般设置4-10左右，需要根据实际地形设置参数图5 参数说明图图6 分离地面点图3）提取特征点类提取特征点类有两种方式可以获取，一种是提取模型关键点类，此方法主要用于自然河道处，模型关键点类分类方法一般应用在从分类地面点类中抽取点生成了一个减少的地表点的数据集合，具体如下图所示：通过设置Above model和Below model 参数的容差值来控制精度，这种方法选择的关键点比较多，并且有可能缺少特征点，对于城镇地区经过人工修测的河道，缺少特征点将造成断面图真实性下降，但自然河道特征点本身都不明显，直接使用这种方式可快速获取断面信息图7提取特征点另一种为通过Assign Point Class分类，获取特征点，这种选点相比第一种方式有些慢，需要切取断面，在断面图上点击特征点，自动归类为feature point类中，每一个断面都要手动选择点，这样确保地形特征点都被选取，正确度比较高， 这种获取断面特征点方式不仅适合自然河道，而且也使用于经过人工修测河岸较简单的河道。

图8 分类图在选择特征点的过程中，可以参考影像数据4）格式转换将提取出的特征点保存为XYZ格式，但是南方CASS中要求的DAT格式为：编号,属性,X,Y,Z，通过编程实现xyz格式到dat格式的转换，生成dat格式数据即可导入CASS中绘制断面图3.2 断面图生成将生成的dat文件导入到CASS中，通过绘图处理->定显示区->展野外点点号，将DAT文件中的点导入到CASSZ中，然后画复合型连接横断面上的点， 利用已知文件展高程点，设置横向比例为1:200，纵向比例为1:200，设定数据间隔为200米，选择断面绘制位置坐标值，点击OK即完成了断面图的绘制对于地物属性的标注除了参考激光点云数据之外，还可以利用影像数据获取的快速正射辅助获取四、工程应用2013年6月份与黄河水利委员会、平顶山市政府合作项目—平顶山湛河治理工程，对平顶山市38.9公里的湛河主流及30个支流及排污口绘制断面图，该项目设计区域比较大，基本覆盖整个平顶山市及其周围县级地区，要求断面间隔为100米，左右两岸延伸150米，基本上绘制总断面有上千个，利用机载LiDAR系统对测区进行飞行，飞行速度50km/h，采样频率为150KHZ，四回波模式，相对航高400m，点云密度 15 p/m2，将河道分为自然河道断面图提取与人工修测河道断面图两种，如下所示：（1） 自然河道断面图提取自然河流即为没有经过人工修测的河流，河两岸是长期雨水冲击自然形成的不规则河岸，由于这种河流断面线上各点河床地形特征不同及长期受河流冲刷程度不同，使得断面线上相邻两个观测点之间的河底断面高程为非线性变化的。

尤其对于深山中的河道，两岸比较陡峭，人工测量获取断面信息危险系数比较大，并且GPS信号及其微弱甚至接收不到信号，利用激光点云数据提取河道断面信息，可以任意选取断面特征点高程值，同时对于沿断面方向延伸200米甚至更多的地形点也可任意获取，工作效率得到了很大的提高 图9自然河道断面图（左整体图右局部图）（2）人工河道断面图提取人工河道称为河流两岸经过人工修测为规则固坎或土坎的河流，这种河道断面图比较规则，利用激光点云数据进行提取，只需提取。