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基于机载激光雷达点云数据的河网提取方法研究


中国水土保持 SWCC 2011 年第 10 期

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基于机载激光雷达点云数据的 河网提取方法研究
王翠平
1, 2

, 王豪伟 , 刘

1, 2



1, 2

, 董仁才

1, 2, 3

( 1. 中国科学院城市环境研究所 中国科学院城市环境与健康重点实验室, 福建 厦门 361021; 2. 中国科学院城市环境研究所 厦门城市代谢重点实验室, 福建 厦门 361021; 3. 中国科学院 生态环境研究中心, 北京 100085)
[ 关键词] 机载激光雷达; 点云数据; 河网提取; 数字流域 [ 摘 要] 在介绍机载激光雷达数据的具体处理流程、 分析机载激 光雷达数 据特征的基 础上, 结合高程数 据和影 像数据 总结出了基于点云数据 的大范围复杂流域的提取方案, 同时设计了提取流程 并应用该流程对实验数据进行了河网 提取。 将采用本研究方案提取 的河网结果与全手工处理所得的结果进行 对比分析后 发现, 本研究提出 的基于机 载激光 雷达点 云数据的河网提取精度 误差为 3. 8% , 符 合实际生产要 求。基于机 载激光 雷达技 术提取 河网不 仅信息丰 富而且 提取精 度和效率显著提高, 同时它作为一种全新数据采集技术, 为数字流域三维可视化提供了新的技术支撑。 [ 中图分类号] TN957. 52 [ 文献标识码] A [ 文 章编号] 1000 - 0941( 2011) 10 - 0053 - 03 作。欧美的一些国家 已经 开发出 一些 商业 激光 雷达 点云 数据 处理系统, 并得到广泛 应用。这 些软件 主要有美 国 Coherent 公 司的 LP360, 能与 ArcGIS 系统 无缝兼 容, 为 LiDAR 点云处 理与 分析提供了一 体化 平台 [ 7] ; 芬 兰的 TerraScan 也是 比较 流 行的 LiDAR 数据处理软件, 该软件 基于 MicroStation 平台, 具有 点云 分类、 三维建模和正射 影像制作等功能 [ 8] 。本研究基 于 TerraS can 软件的相关数据处理 算法, 提出了 一种河网 提取流程, 为河 网制图和数字流域提取提供了基础点云数据和数字信息。 1 1. 1 LiDAR 数据处理 数据预处理 激光雷达点云数据通常数据量 都较大, 因此 需要进 行分块 处理。数据分块是依 据激 光点云 数据 的空 间范 围将 其划 分成 相对独立的 子空 间, 一 般是 进 行 规则 格 网划 分。本 研 究 采用 1 2 000标准接图表对大量激光点云( 1 km2 ) 进行裁剪分块, 考 虑到数据拼接 的 需求, 需 对 分块 的数 据 进行 相 应的 缓 冲 区处 理。对分块后的数据 去除 噪点, 一 般为 孤立 点, 即明 显高 于地 表物体的激 光点 及明 显 低于 地表 的 系统 噪点 [ 9] , 本 研 究 采用 Isolated point算法, 可以基本清 除点 云数据 中的 噪点 数据, 根据 经验建议 R 值输入为 25 m, T 值为 1 个 点。由于随着 激光扫描 角度增大, 激光点 的测 量误差 也随 之增 大, 因此 为保 证激 光点 的分布模式和采样密度均一, 通常需要对 航带重 叠区激 光点进 行处理, 本研 究采 用 Cut overlap 算法 去除 重 叠区 冗余 的 激光 点 [ 10] 。 1. 2 DEM 制作 DEM 制作的前 提是 地面点 ( Ground) 的 精确 提取。Ground 提取算法的基本思路是通过迭代建立不规则三 角网( TIN ) 表面 模型来分出地面点。首先选择一些 局部最 低点, 并确保 这些点
[ 基金项目] 中 国科 学 院知 识 创新 重要 方 向项 目 ( KZCX - 2 - YW 453)

数字流域是一个 以流域空间信息为 基础, 融合 流域内各 种 数字信息的系统平台 , 是对真实流域 及其相 关现象 统一的数 字 化重现, 它把流域搬 进了实 验室 和计 算机, 成 为真 实流 域的 虚 拟对照体。 数字流域 是 数 字地球 的 有机组 成部分, 是 数 字地球 中有关流域的信息集合 [ 1] 。 近几年, 遥 感 技 术 迅 速 发 展, 特 别 是 机 载 激 光 雷 达 ( Li DAR) 技术的出现, 为 流域数 字特 征提取 带来 了新 的机 遇与 挑 战。LiDAR 技术是集 激光扫描、 全球 定位系 统( GPS) 与惯性 导 航系统( INS) 三种技 术于一 体的 空间测 量技 术, 能够 快速并 精 确地获取地表三维信 息, 是目前继 GPS 技术之后 测绘界的 又一 重大技术革命 [ 2] 。LiDAR 技术与数 字航摄仪相 结合, 并使用 大 容量高速计算机以及 专业软件对其采集 的数据 进行处 理, 可 快 速完成大区域复杂地 形的数字表面模 型( DSM ) 、 数字高程模 型 ( DEM) 及高清晰 数 字正 射 影像 ( DOM ) 的 大规 模 生 产; LiDAR 点 云数据点平均间距在 0. 5 m 以下, 平面精度在 0. 2 m 以内, 高 程精度在 0. 1 m 以内, 能近乎真实地刻画现实世界 [ 3] 。 在数字流域建设中, 河网数字信 息提取 具有非 常重要的 现 实意义。LiDAR 技术 的 出现, 为 流域 河网 提取、 域数 字化 以 流 及流域内生态 环境变 化监 测提 供了丰 富精 确的 数 据来 源。目 前, 国 外已 经 开 展了 很 多基 于 LiDAR 数 据 的数 字 流 域 研究。 George 等人研究了激光扫描技术 在环境 科学中 的应用, 研究 指 出, 为了能够描述一 些生态 现象 与环 境水 资源 分配 的关 系, 需 要详细的河道流向和 河道连接信息 [ 4] , 而流域内的 复杂生态 环 境与细微高程变化具 有错综复杂的关系, 因 此为了 得到更好 的 洪水模型和植被 制图, 在传 统摄 影测 量技 术制 作的 DEM 数 据 不能满足要求的情况 下, 详细的 LiDAR 数 据是必不可少 的。很 多有 关 流 域 的 基 本 生 态 信 息 从 简 单 的 DEM 数 据 无 法 获 取 [ 5 - 6] , 这就严重阻碍了 流域信息化 和流域 生态环 境评估等 工

落在地面, 同时建 立 TIN 模型; 然 后通 过迭 代添 加一 些新 点到 模型中, 每次 添加 新点 都使 得模 型更 逼近 地表, 直 至迭 代角 A

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中国水土保持 SWCC 2011 年第 10 期 和 Y 两个方向分别 判断其形态, 最 终得到河 道信息。这 种方法 提取的河道信息虽然在精度上满足 实际需 求, 但 河道周 围的地 物影响了其提取效果和效率, 并且应用该 算法进 行大区 域及复 杂地形的河道提取仍然存在一定难度, 其普适性有待提高。 LiDAR 点云数据具有详细的三 维特征, 通过 不同方 向的剖 面截取, 能对地形地物形成直观 的三维印象 [ 13] 。LiDAR 的一个 典型特征就是其激光点能穿透浓密 植被区 域, 使 点云数 据真实 再现植 被 下 地 形、 道 信 息。 应 用 LiDAR 点 云 并 结 合 高 清 河 DOM 数据, 可反映逼真的现实 世界。由 于激光数据不但具有空 间坐标信息, 而且还能 反映 不同的 强度 值, 因此往 往 LiDAR 在 扫描属性不同的地物时其返回的激光强度值是 不同的。如 图 2 所示, 右边的激光强度 图较清晰地显示了 水域范 围内的 激光点 具有大致相同的强度值, 河道中的几个小 岛在强 度图中 的亮度 信息较强, 同时河道里 游船的激光强度值 也不同 于水域 上的点 强度值。激光强度值为划分河道信 息提供 了第一 个参考 要素, 但由于流域内地形地貌的复杂性, 仅靠激 光点强 度值不 足以很 好地划分出河网。考 虑到 激光点 在河 道水 面往 往也 具有 相同 的高程值, 形成类 似水 平面的 外观 形态, 因 此可 先利 用激 光点 强度值初步划分河道信息, 然后再结合高 程信息 对河道 信息进 一步划分。另外如河 道具 有瀑 布或 水坝, 造 成高 程值 不一 致, 可依据高程分区域多次提取河道激 光点, 再将各 区域的 流域数 据合并为整个流域数据。

和迭代距离 D 超 出设 定范 围, 即停 止迭 代 [ 10] 。经 过初 次自 动 分类, 地面点精度可达到 80% 以上, 对于坡度变化急 剧的山脊、 陡坎、 断崖等需要 简单手 工编 辑。Ground 可直 接作 为 DEM 制 作的基础数据, 并为后期 DOM 制作 提供辅助数 据, 由高度密 集 地面点制作的 栅格 DEM 具 有 常规 航空 摄 影测 量生 产 的 DEM 不可比拟的精度优 势。通常依 据传 统算法 可以 直接利 用 DEM 数据提取河网 [ 11] , 为了获 取精度 更高的 河网, 本研究 不但应 用 了依据 Ground 生成的 DEM 数据, 并结 合了基于 LiDAR 生成 的 另一数字产品 1. 3 DOM 制 作 DOM 的制作对 于真 实河 网 的提 取起 着 至关 重要 的 作用。 由于现实世界的 复杂性 , 特 别是 现代 城市 化进 程的 加快, 人 类 活动对地表结 构和表 观都 造成 了巨大 改变。 具有 高分 辨率 和 高清晰质量的 DOM 数据是目视判读地 表信息的 重要来 源。图 1 为基于 LiDAR 的 DOM 制 作详 细流 程, 其关 键步 骤是 相机 参 数检查, 这是一个循环寻优 的过程: 首先将 Tie point report 报告 中 Heading、 和 Pitch 的初始值输入到 Camera 相对应的 参数 Roll 中; 然后 检查 Tie points 中 连接 点误 差值并 将误 差较大 的点 删 除, 同时继续输出 Tie point report 报告; 再将 新生成的 Heading、 Roll 和 Pitch 值输入到 Camera 的 参数中 , 直 到参 数不 再改变 时 就停止修改; 最后保存连接点文件和相机参数。 数 字正射影像( DOM) 数据。

图2

正射影像与激光强度图

利用 TerraScan 软件里的 分类工 具 [ 10] , 依据 激光 点的 形态 信息, 可将河道上 的激光 点提 取出 来, 再结 合 DOM 影 像, 进行 简单的人工辅助修改, 即能快速制作出大 范围复 杂地形 的河道 流域图。作者通过本研究 总结 了一套 基于 LiDAR 激光点 云以 及 DOM 影像的流域内河网提取流程, 具体见图 3。

图1 2 2. 1

基于 LiDAR 的 DOM 制作流程

基于 LiDAR 点云与 DOM 的河网提 取 提取流程 流域内河道变化的复杂性 以及河网 的纵横 交错分 布, 给 自

动提取河网带来了 难度。干嘉 元等 [ 12] 利用航 空遥感 图像对 上 海市七宝地区进行了 河道自动提取, 其思路 是通过 河道光谱 特 性来大致确定 河道, 再判 断河 道的 形态特 性( 长和 宽) , 即 从 X 图3 河网提取流程

王翠平等: 基于机载激光雷达点 云数据的河网提取方法研究 2. 2 人工检查 在河网提取过程 中, 大部分工作可以通过 TerraScan 软件自 动完成。但是由于地形起伏、 河道曲 折等复 杂地形 地貌情况 的 存在, 会导致一些激光点被错误划 分, 因此 结合 DOM 影像进 行 后期的人工目 视检测 与修 正是 必不可 少的。 通常 被错 误划 分 的激光点有以下 三种情 况: 河道 狭窄 处、 河道 边缘 植被 处以 及 离散水域处。目视检查遵循的 一般原则 是: 在确保 河道连通 性 的前提下, 河道内激光点的高程差异 不应很大 ( 若有水 坝、 布 瀑 等特殊水面落差情况 则分区检查) 。目视检查后 的河网 LiDAR 数据即为最终成果数 据。 3 3. 1 优势分析 河道信息丰富 基于 LiDAR 点云数据提 取的 河网, 不仅 具有 河面宽 度、 河 道长度、 河面面积等 基础的 流域 数字 信息, 而 且由 于激 光点 具 有高穿透性, 能直接 获取河 道边 缘处 植被 下的 河道 信息, 因 此 可以较精确地确定河 流的宽度及 面积。另 外, LiDAR 点云数 据 能全方位解析河道中 的瀑布、 河坝 等信息, 同时 河坝、 瀑布的 水 位落差可以通过直接 量测 LiDAR 点云数据的剖面来获得。 3. 2 精度分析 本研 究以 图 2 所 示的 示例数 据为 分析 对象, 评估 基于 Li DAR 点 云 数 据 提 取 的 河 网 精 度 和 可 靠 性。 数 据 为 标 准 1 2 000图幅范围, 面积 1 km2 , 激光点总数 1 073 041 个, 采 用 图 3 所示的河网 提取流 程对 该数据 进行 河网 提取 并对 其进 行 精度评估。采 用 George 等 [ 4] 提出 的 3 个 评 价指 标 对基 于 Li DAR 点云数据提取的河网精度进行误差分析 , 即 一类误差( % ) = 100 二类误差( % ) = 100 总误差( % ) = 100 c/ a; d/ b;

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有规律可循的。因此, 基于 LiDAR 点云数据的河网提 取方法可 应用于实际生产并能够提高生产效率, 依据 LiDAR 点 云数据本 身的物理形态特征, 如 河网点云高程、 河网 激光点 强度值 等, 并 结合 DEM、 DOM 数据可以快速提取河网的激光点云。 随着数字技术的快速发展, 利用现代 高新数 字技术 对流域 的地理环境、 自然 资源、 态环境 等各 种信 息进 行采 集和 数字 生 化管理具有很大的优势, LiDAR 点云数据 可为流 域综合 信息平 台的建立提供基础信息和必要的数据。 [ 参考文献] [ 1] 刘家宏, 王光 谦, 王 开. 数字 流域研 究综 述[ J] . 水利学 报, 2006, 37( 2) : 240 - 246. [ 2] 赖祖龙, 张 汉德, 万幼 川, 等. 激光 雷达 在滩 涂海 岸地 形测 量中的应用[ J] . 海洋测绘, 2008, 28( 2) : 37 - 39. [ 3] 郑金水. LIDAR 技术及 其应 用[ J] . 科技 信息, 2007( 6) : 28 - 29. [ 4] George L Heritage, Andrew R G Large . Laser Scanning for the Environmental Science[ M] . Oxford: Blackwell Publishing Ltd, 2009: 220 - 234. [ 5] 马玲, 杨武年, 郑富强, 等. 基于 DEM 的流域 特征提 取方法 初步研究[ J] . 地理空间信息, 2008, 6( 2) : 69 - 72. [ 6] 李晶, 张征, 朱建刚, 等. 基于 DEM 的 太湖流 域水文 特征提 取[ J] . 环境科学与管理, 2009, 34( 5) : 138 - 142. [ 7] 殷飞. 机载激光雷达 数据滤 波方法 研究[ D] . 成 都: 西南交 通大学, 2010: 3 - 4. [ 8] 徐祖舰, 王滋政, 阳锋. 机载 激光雷达 测量技 术及工 程应用 实践[ M] . 武汉: 武汉大学出版社, 2009: 8 - 10. [ 9] 张小红. 机载激光 雷达测量技术 理论和 方法[ M] . 武 汉: 武 汉大学出版社, 2007: 57 - 59. [ 10] TerraScan User s Guide [ M ] . Finland: Terrasolid Ltd, 2010: 152 - 154, 243. [ 11] 李丽, 郝振 纯. 基 于 DEM 的 流域 特征提 取综 述[ J] . 地球 科学进展, 2003, 18( 2) :251 - 256. [ 12] 干嘉元, 王荣华, 过 仲阳. 利 用航 空遥 感图 像进 行河 道自 动提取的方法研究[ J] . 上海地质, 2007( 1) : 67 - 70. [ 13] 王继 阳, 文贡 坚, 吕 金 建, 等. 建 筑 物三 维 重建 方 法 综述 [ J] . 遥感技术与应用, 2009, 24( 6) : 832 - 840. [ 14] 成晓倩, 赵 红 强. 基于 区 域生 长的 LiDAR 点 云数 据 滤波
误差值 4. 1% 30 472 10 915 30 472 3. 7% 3. 8%

( c + d) / ( a + b)

式中: a 表示示例数据中河网激光 点的总数 ; b 表示 示例数据 中 非河网激光点的总数 ; c 表示被 误分 为非河 网激 光点 的河网 激 光点数; d 表示被误分为河网激光点的非河网激光点数。 在地形复杂的 情况 下, 为了 得到 高精 度的 河网 点云 数据, 通常需要选择较小的 一类误差而忽 略二类 误差。另外, 总误 差 是衡量 两 类 误 差 总 数 的 指 标, 因 此 总 误 差 越 小 表 示 精 度 越 高 [ 14] , 通常情况下实际生产要求 总误差不 高于 5% 。如表 1 所 示, 示例河网点云数据总误差 3. 8% , 符合实际生产需求。 表1
误差类型 一类误差 二类误差 总误差 260 904 a 260 904 812 137 812 137

河网点云数据提取精度
b c 10 915 d

[ J] . 国土资源遥感, 2008( 4) : 6 - 8, 21. [ 作者简介] 王翠平( 1980 ) , 女, 河北唐 山市人, 在读博 士, 主 ) , 男,

要研究方向为 数字 城市 环境 网络 研究、 间 分析 空 以及遥感应 用等; 通 信作 者董 仁才 ( 1971 生态系统管理和空间信息技术研究工作。 [ 收稿日期] 2011 - 05 - 20 宁夏石嘴山市 人, 副研 究员, 博士, 主 要从 事 流域

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本研究不但基于 LiDAR 点 云数 据详细 探讨 了河 网提取 的 步骤与方法, 而且对 提出 的新方 法进 行了 河网 提取 精度 验证。 实践表明, 基于 LiDAR 点云数据提取的河网不仅 包含丰富 的信 息, 精度也符合实际生产 需求; 同时 LiDAR 点云 数据 的处理 是

( 责任编辑

徐素霞)

SOIL AND WATER CONSERVATION IN CHINA
No. 10( 355) 2011 Abstracts
Modes of Land Use of the Three Gorges Reservoir Area Oriented Soil and Water Conservation ……………………………………………………………………………………… …………… JIN Hui fang1 , WEI Jie1 , HE Xiu bin 2 ( 1. Geography & Tourism College, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China; 2. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610041, China) ( 36) Rational land use is a basis for soil and water conservation in the Three Gorges Reservoir area which ensures the safe operation of the reservoir and the security of the regional eco health. The paper puts forward three typical land use modes of tri dimension eco agriculture, slope land cultivation with cut down slope length and alternative layout between arid land and paddy fields, and introduces the structure and layout design of each mode, with analysis on basic principle and function of each mode. The three models are believed as low cost, efficient, easy and adaptive to the natural and socio economic settings of the Three Gorges Reservoir area . It suggests on strengthening the monitoring and evaluation on effect and suitability of land use with soil and water conservation functions for selecting a land use mode which is suitable to the different environmental conditions of the reservoir area. Key Words: tri dimensional eco agriculture; slope land cultivation with cut down slope length; alternative layout between arid land and pad dy fields; soil and water conservation; land use; the Three Gorges Reservoir area Summary of Study Progress on Soil Erodibility …………………………………… JING Guang hua1, 2 , YU Xing xiu1 , LI Zhen wei 1, 2 ( 1. Shandong Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Environmental Protection / Linyi University, Linyi, Shandong 276005, China ; 2. Shandong Normal University , Ji nan, Shandong 250014, China) ( 44) Soil erodibility is an integrated index of soil characterization to percolation capacity of rainfall, sensitivity of precipitation or runoff denu dation and transportation and an important parameter for soil erosion. The paper introduces the indexes of soil erodibility both at home and a broad, and comments on the advantages, disadvantages and scope of application of direct methods of determination, formula and nomogram. Then it lists the latest research results of index value of soil erodibility of the severe soil erosion region in China, and analyzes the insufficien cy of the study on soil erodibility and points out that the study on index of soil erodibility, affecting factors and calculation methods should be further improved and strengthened. Key words: soil erosion; index of soil erodibility; study method; mechanism Influence of Different Land Uses to Soil Properties in Red Soil Hilly Region of Central Hu nan Province ……………………………………………… …………………………………………………………………… BAO Wen 1 , LAI Yi ka2 ( 1. Monitoring Station of Hu nan Soil and Water Conservation, Changsha, Hu nan 410007, China; 2. Hu nan Surveying Bureau of Hydrology and Water Resources, Changsha, Hu nan 410007, China) ( 47) The paper studies the physical properties and anti erodibility of soil of five types of different land uses in red soil hilly region in the cen ter of Hu nan by taking Wushui Watershed in Hengyang County as an example. The outcomes show that land use types have obvious effect to the soil properties and the structure of granite red soil is degraded along with the reduction of vegetation cover and human disturbance. a) Comparing with woodlands, the sand contents of dry lands and sloping farmlands increase while the clay contents decrease relatively and the surface soil appears desertification; b) comparing with woodlands and open woodlands, the contents of water stable aggregates with bigger di ameter of farmlands reduce, with the mean weight diameter decreasing and the structural stability lowering too; c) the sequence of different land uses based on capillary porosity and water holding capacity of soil is as follows: woodlands > open woodlands > abandoned lands > dry lands > sloping farmlands. The results show that good vegetation condition and reasonable land uses can improve agglomerate ability through decreasing soil bulk density and adding organic matter and fine particle content, while increase moisture storage for increasing soil anti erodibility Key Words: red soil; physical properties of soil; land use types; soil erosion; Hu nan Extraction Method of River Net Based on LiDAR Points Cloud Data ……………………………………………………… …………………… WANG Cui ping1, 2 , WANG Hao wei 1, 2 , LIU Ming1, 2 , et al. ( 1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen, Fujian 361021, China; 2. Xiamen Key Lab of Urban Metabolism, Xiamen, Fujian 361021, China) ( 53) Based on the introduction of specific processing flow and analysis of characteristics of airborne LiDAR data, the paper summarizes the extraction solution of a complicated watershed on a large scale with point cloud data, combined with elevation data and image data, and de signs an extraction processing flow and extracts river net by using the flow. The comparative analysis of river net extracted by the study and by the total manual processing show that the error of accuracy of point cloud data of river net based on the airborne LiDAR technology is 3. 8% , basically meeting the accuracy required by actual production. The outcomes show that the river net extracted based on airborne LiDAR tech nology not only contains a large amount of information but also has higher extraction accuracy and the extraction efficiency is significantly im proved. As a data acquisition technology, the airborne LiDAR technology has provided technical support for the three dimensional visualiza tion of digital watershed. Key Words: airborne LiDAR; point cloud data; river net extraction; digital watershed


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