机载lidar数据方法研究

硕士学位论文

机载LiDAR数据插值方法研究

申请人姓名：指导教师：

专业名称： 测绘科学与技术

研究方向：

河南理工大学测绘与国土信息工程学院

二○一○年三月十五日

河南理工大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。

本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。

学位论文作者签名:

年 月 日

河南理工大学

学位论文使用授权声明

本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。

保密的学位论文在解密后适用本授权。

学位论文作者签名： 导师签名：

年 月 日 年 月 日

中图分类号：TN959 密 级：公开 UDC：621 单位代码：10460

机载LiDAR数据插值方法研究

Research on the interpolation of

airborne LiDAR

申请人姓名

导

马 剑 申请学位 工学硕士 职 2010.3.15

学科专业测绘科学与技术研究方向 摄影测量与遥感 师 卢小平 称 副教授 2010.5.30 提交日期答辩日期

河南理工大学

致谢

至此论文完成之际，对所有关心和帮助我的人表达我最真诚的感谢。

首先感谢导师卢小平教授三年来对我的悉心指导和培养，使我能顺利完成硕士论文和研究生学业。卢教授渊博的理论知识、严谨的治学态度、诲人不倦的精神、对专业的高瞻远瞩以及对学生学习和工作上的无微不至的关心和耐心指导让我受益匪浅。感谢卢老师在学习和生活上对我的帮助，可以说没有卢老师的鼓励和帮助我是不可能顺利完成硕士毕业的。他的开拓精神、睿智思维以及对事业的执着追求和对人生的豁达独到的见解是我学习的典范，这是我一生的财富并将使我终身受益。

感谢矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室的老师和同学们，没有他们的大力帮助，我的论文就无法顺利完成。

感谢我的师兄孙伟、陈江在对我学习和生活无微不至的关心，他们让我体会到了大家庭的温暖。

感谢同窗好友田继辉、古林玉、薛水晶、王玉鹏、葛晓天，与他们的讨论丰富了我的知识。

感谢河南理工大学测绘学院07届全体研究生同学，与他们共同学习的经历是我一生美好的回忆。

感谢朝夕相处的室友陈利奇、朱小伟、鲍燕辉，我们相伴一起走过了三年的历程，这将永远是我最值得珍藏的记忆。

更要感谢我的父母和亲人，是他们赋予了我生命，他们的支持和鼓励是我学习和工作的动力之源。

要感谢的人实在太多，谨以此文献给所有关心我的老师、同学、朋友和亲人！

I

摘要

从二十世纪七十年代后期发展起来的机载雷达（LiDAR）测量技术，融合了全球定位系统、惯性导航系统和激光扫描系统，不仅能够快速、精准获取目标的点云数据并据此构建DSM和DEM等模型，而且可全天候作业，弥补了传统摄影测量的不足，代表着对地观测领域新的发展方向。

机载LiDAR技术为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，广泛应用于军事、农业、资源调查、灾害监测等领域，它广阔的应用前景引起了世界各国的极大关注。目前LiDAR技术在硬件和系统集成等方面的发展已经比较成熟，但其数据的后续处理还相对比较滞后，已经影响到机载LiDAR技术的进一步应用。因此，如何快速高效处理机载LiDAR点云数据，研究和探讨数据最适宜的插值算法，具有非常重要的理论价值和现实意义。

本文介绍了机载LiDAR技术的国内外研究现状和发展动态，机载LiDAR系统的组成和原理、技术特点和主要用途，以及机载LiDAR数据处理的技术流程。针对机载LiDAR数据如何快速、高精度构建数字表面模型（DSM）和数字高程模型（DEM），着重研究了不同插值算法的适用性，通过在实验区的实验验证，得出了适宜构建DSM与DEM的插值算法。此外，作者还对工程化内插格网尺寸的选取进行了较为深入地探讨和实验，针对工程化生产及应急生产的需求，提出了适宜于构建DSM内插格网尺寸的确定方法，并取得了良好的结果。

关键词：LiDAR；DSM；DEM；滤波；插值；

I

Abstract

Airborne LiDAR(Light detection and ranging) measurement system developed in the late seventies of the twentieth century, which combines GPS, inertial navigation system and laser scanning system. It can not only quickly and accurately obtain the clouds data of objectives to build the DEM and DSM models, but also it can work under all weather, making up for the deficiencies of traditional photogrammetric, and will bring a new technological revolution to surveying and mapping industry.

Airborne LiDAR measurement techniques provide a new technology means to obtain high spatial and temporal resolution geospatial information, and it is widely used in the field of military, agriculture, resource survey, disaster monitoring and so on. Its broad application prospect has aroused great concern to countries in the world. The current airborne laser radar technology in hardware and system integration has been rather mature, but the subsequent processing of data is relatively backward，which has been affected the further application of airborne LiDAR. How to process LiDAR data fast and efficiently is a prerequisite of its application, so researching and discussing applicable interpolation algorithm for LiDAR data has a very important theoretical and practical significance.

This paper first describes airborne LiDAR technology research status and development trends at home and abroad. Then, it introduces the compositions and principles of airborne LiDAR system, as well as technical process of data processing. Aimed at how to make up DSM and DEM quickly and accurately, it makes a particularly study of the applicability of different interpolation. And after the verification in experimental area, it obtains the applicable interpolation for building DSM and DEM models. Finally, it selects the size of engineered interpolation in depth discusses and experiments. For satisfying engineered production and emergency production needs, it builds the confirmable method of the DSM interpolation size, and obtains good results.

Key words: Airborne LiDAR; Digital Surface Model; Digital Elevation Model; Filtering; Interpolation

III

目 录

致谢...................................................................................................................................I 摘要...................................................................................................................................I

1 绪论..............................................................................................................................1

1.1引言............................................................................................................................1

1.2 国内外研究现状及发展动态...................................................................................1

1.2.1 国外研究概况............................................................................................................................1

1.2.2 国内研究现状............................................................................................................................3

1.2.3 发展动态....................................................................................................................................3

1.3研究意义....................................................................................................................4

1.4论文结构....................................................................................................................5

2 机载LiDAR系统简介..................................................................................................7

2.1机载LiDAR测量系统的组成....................................................................................7

2.1.1 动态差分GPS接收机.................................................................................................................7

2.1.2 姿态测量系统............................................................................................................................8

2.1.3 激光测距系统............................................................................................................................9

2.1.4 成像装置..................................................................................................................................10

2.2机载LiDAR的测量原理..........................................................................................11

2.3机载LiDAR测量技术及数据特点和用途..............................................................13

2.3.1 机载LiDAR测量技术特点......................................................................................................13

2.3.2 机载LiDAR测量数据特点......................................................................................................15

2.3.3 机载LiDAR的主要用途..........................................................................................................17

2.4 机载LiDAR坐标系统及转换.................................................................................19

2.4.1 坐标系统..................................................................................................................................19

2.4.2 坐标转换..................................................................................................................................21

2.5 机载LiDAR的系统误差.........................................................................................23

2.5.1 激光扫描测距误差..................................................................................................................23

2.5.2 GPS动态定位误差....................................................................................................................23

2.5.3 惯导系统姿态测量误差..........................................................................................................23

2.5.4 扫描角误差..............................................................................................................................23

i

2.5.5 其他误差..................................................................................................................................23

3 机载LiDAR数据的处理流程....................................................................................25

3.1 机载LiDAR数据的预处理......................................................................................25

3.1.1外业获取的原始数据...............................................................................................................25

3.1.2航线的重构...............................................................................................................................25

3.1.3消减系统误差...........................................................................................................................26

3.1.4生成激光脚点三维坐标...........................................................................................................26

3.2 机载LiDAR数据的后续处理..................................................................................26

3.2.1点位数据读写...........................................................................................................................27

3.2.2航带拼接...................................................................................................................................27

3.2.3机载LiDAR数据滤波分类.......................................................................................................30

3.2.4机载LiDAR数据内插算法.......................................................................................................34

3.2.5 机载LiDAR数据的接边检查..................................................................................................41

3.2.6人工编辑及多源数据配准.......................................................................................................41

3.2.7机载LiDAR多领域应用...........................................................................................................41

4 机载LiDAR数据插值方法研究................................................................................43

4.1实验区介绍...............................................................................................................43

4.2 滤波参数设置..........................................................................................................44

4.3不同格网插值方法对比分析...................................................................................45

4.3.1 DSM格网插值方法比较分析..................................................................................................45

4.3.2 DEM格网插值方法比较分析..................................................................................................48

4.3.3小结...........................................................................................................................................50

4.4工程化内插格网尺寸探讨.......................................................................................50

5 总结与展望.................................................................................................................55

5.1总结...........................................................................................................................55

5.2 展望..........................................................................................................................55

参考文献.........................................................................................................................57

作者简历.........................................................................................................................61

学位论文数据集.............................................................................................................63

ii

1.绪论

1 绪论

1.1引言

地球信息科学是当今世界各国研究的热点之一，它作为信息科学、地球科学空间科学的交叉学科，以遥感对地观测技术、全球卫星导航定位技术和地理信息技术作为主要内容，以计算机技术、网络通信技术为主要技术支撑，用于采集、量测、分析、存储、管理、显示、传输和应用与地球和空间分布相关数据的一门综合和集成的科学与技术[1]。数据挖掘，数据融合，信息融合，系统集成和可视化虚拟现实技术将成为地球信息科学的关键技术热点，信息的获取、处理和应用是其研究的三大主题[2]。

随着地球信息科学的飞速发展，对快速准确获取空间数据的要求也越来越高，虽然传统摄影测量发展的已经比较成熟，但传统摄影测量生产周期比较长、效率低、费用高，已经渐渐不能满足当今信息社会的需求。而从20世纪70年代中后期逐步发展起来的机载LiDAR技术[3]融合了全球定位系统、惯性导航系统和激光扫描系统，可以快速精确地获取地面目标点的三维数据，刚好弥补了传统摄影测量的不足之处，机载LiDAR技术作为一种经济可靠的高新技术代表着对地观测领域一个新的发展方向。机载LiDAR技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确的获取，并可以根据实时的影像数据利用计算机重构目标的三维模型，为快速获取空间信息提供了一个行之有效的手段。机载LiDAR系统具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等技术特点，是目前最先进的能实时获取地形表面三维空间信息和影像的航空遥感系统，广泛应用于军事、农业、资源调查、灾害管理等方面。

机载LiDAR测量技术的广阔应用前景引起了世界各国的极大关注，它的硬件设备和系统集成等方面在不少发达国家已经比较成熟，并且获取了大量的实测数据，但数据的后续处理还不太成熟。而我国在这方面的研究和应用也刚刚起步，相关的数据处理方法还基本处于技术探索阶段。如何快速有效的提取机载LiDAR数据是其应用的前提，所以开展机载LiDAR数据的后续处理工作具有非常重要的理论价值和现实意义。

1.2 国内外研究现状及发展动态

1.2.1 国外研究概况

LiDAR测量技术是一门高新的测绘技术，在地球信息科学领域[4]有着广泛的

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应用。利用激光作为遥感技术手段可追溯到40多年前美国航天局对激光技术的研发，在其阿波罗登月计划中就应用了激光LiDAR技术。随着全球定位系统（Global Positioning System GPS）及惯性导航系统（Inertial Navigation System INS）的蓬勃发展，使精确的实时定位姿态付诸于现实。在1993年德国斯图加特大学制造了第一台空载激光扫描仪（Ackermann-19）之后，空载激光扫瞄技术得到了迅猛的发展，至今全球已有几十家生产空载激光扫瞄仪的厂商，可选择的扫描仪型号超过30种，据统计机载LiDAR在测绘市场的市场的占有份额已经达到了12％，并以7%的速度逐年增加，目前投入商业运作的LiDAR系统主要有：TopScan 、TopSys、Optech，以及徕卡公司的 ALS50等。20世纪80年代期间，LiDAR测量技术得到了快速发展，美国航天局研制的大气海洋LiDAR系统以及机载地形测量设备等机载系统，并研发了精确可靠的LiDAR测量传感器，例如：火星观测激光测高仪和月球光测激光测高仪以及航天飞机激光LiDAR测高仪等。

国外一些国家从上世纪八十年代已经开始利用机载LiDAR技术进行地形测量，至今已经得了不少的成果。荷兰自1988年之后开始利用LiDAR测量技术提取地形信息，同年德国也开始着手研究机载激光扫描地形断面测量系统。美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国则发展了低空机载LiDAR测量系统，进行了浅海地形测绘，其中美军1994年投入使用的激光扫描水下地形测量系统最经典，它采用激光LiDAR技术，实施远距离测量浅海深度，并用来监测海岸侵蚀，测绘海岸地带的地形等，德国联邦政府测绘局于1994年通过对数据进行滤波和分类，将地面点和地物点分开，获取了数字地形模型和地面真实正射影像。同时期荷兰首次在全国范围内利用机载LiDAR测高技术建立了全国的数字高程模型。

1998年加拿大通过对激光扫描仪与GPS、INS和数据通讯设备的集成实现了机载LiDAR三维数据获取系统，并取得了良好的实践结果。随着惯导系统等相关技术的不断成熟，机载LiDAR技术得到了蓬勃的发展，欧美等发达国家先后研发了多种激光LiDAR测量系统，其中比较成熟的有：TopScan、TopEye、Optech、Fli-map、Saab、TopoSys、HawkEye以及LeicaALS40等。

荷兰的代尔夫特理工大学在植被及建筑物的自动识别与分类以及道路的半自动提取方面率先取得了突破性成果。美国航天局于2003年初发射了星载激光测高卫星，并且开发研制出了机载激光植被成像传感器系统。良好实践结果证明了机载LiDAR技术是一种经济有效的测绘手段，2004年美国把地球空间信息技术与生物和纳米技术一起列为当今最具发展潜力的三大技术，机载LiDAR技术作为空

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1 绪论

间信息采集的高新技术手段，在市场中占有份额不断扩大，截止到2006年全球已

随着机载LiDAR经有超过三十多种不同型号的机载扫描系统正式投入商业运作[5]。

系统的不断成熟，其应用范围也将不断扩大。

1.2.2 国内研究现状

我国在机载LiDAR技术方面的研究与国外相比起步较晚。中科院遥感所的李树楷教授等于1996年完成了机载激光扫描测距成像系统样机的研制，该系统的激光测距仪与多光谱扫描成像仪共用同一套光学系统，可以精确匹配DEM[6]和遥感影像，直接获取地学编码影像，目前该系统还没有正式投入商业运作，李树楷教授对此这样说“具有高效特色的机载LiDAR影像制图系统的原理样机已经完成了，但距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。缩短这段距离不仅技术上需要时间，更重要的是要成为专家所接受，要为科学发展的决策者所接受，要为社会所接受，这种非技术因素要比技术难度更复杂、更困难，需要时间更长”。此外武汉大学也开发研制了地面激光LiDAR扫描测量系统，但还不是很成熟，没有将定位定向系统集成到一起，主要用于堆积测量[7]。

机载LiDAR技术引入中国的时间主要集中在2004到2006年之间（广西LiteMapper5600、太原LM2800、北京OptechALTM3100），目前国内市场上的LIDAR硬件系统主要有美国的徕卡、德国的IGI以及加拿大的Optech等。目前，科技部、电子工业部、中科院遥感所等单位已经开始研制机载或星载激光LiDAR系统。中国科学院电子学研究所在近30年来，完成了几代LiDAR系统、信息处理系统的研制和大量关键技术的攻关，已成为我国LiDAR及其应用技术的重要研究基地。武汉大学、中国测绘科学院等单位正在引进国外机载小光斑激光LiDAR系统。北京星天地信息科技有限公司、广西桂能信息工程有限公司以及山西亚太数字遥感信技术有限公司等也先后引进了高性能的机载小光斑激光LiDAR系统，并成功进行了试验和工程飞行。

我国十分重视LiDAR测量系统的自主研发，经过近十几年的发展，我国的LiDAR技术有了长足进步，缩小了与国际先进水平的差距，相信今后，随着越来越多的商用机载LiDAR测量系统进入国内，我国也将会设计出自主知识产权的机载LiDAR测量系统及相关软件。

1.2.3 发展动态

机载LiDAR测量技术经过三十多年的快速发展，绝大多数硬件技术及系统集

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成发展已经相对成熟，但LiDAR数据后处理的研究还比较滞后，目前用于处理机载LiDAR测量数据的软件并不是很多，主要有TerraScan、REALM、TopPIT等，而且上述几个软件基本是由硬件生产厂商自己提供的，这些软件的算法基本都是保密的，数据处理中一些具体的处理环节还需要大量的人工干预，目前还没有一套非常成熟的、自动化程度高的机载LiDAR测量数据的处理软件[8]。随着机载LiDAR测量系统用户的增多，数据量越来越大，迫切需要一套通用的实用的自动化程度高的软件来处理和分析机载测量数据，因此开发研制出一套可靠稳健自动化程度高的机载LiDAR测量数据处理软件迫在眉睫，许多商业公司以及大学科研机构都投入了大量的人力和财力进行相关算法的研究，希望率先设计出相关的软件。

如今，机载LiDAR测量技术有两个明显的分支，一种是小光斑脉冲测时LiDAR，另一种是大光斑激光LiDAR。目前，绝大多数商用机载LiDAR测量系统采用的都是基于小光斑脉冲测时激光LiDAR。

目前，在机载LiDAR数据处理方面的研究主要集中在对原始点云数据的过滤和分类，即对滤波算法的研究，现行的各种滤波算法都存在一定的局限性，还没有那一种滤波能适应不同地形，故研发出一种可靠稳健适应性广的滤波算法也是亟待解决的问题之一。机载LiDAR测量技术目前主要用于快速获取大面积三维地形数据、快速生成DEM、DSM等数字产品，特别是用于测绘森林、山区沼泽等危险地区的地形图。机载LiDAR技术作为一种新的技术手段用于快速生成城市地区的数字表面模型、数字高程模型，并进一步建立数字三维城市模型，是当前的一个研究热点。借助于大束脚点的回波信号的波形分析进行森林资源普查以及植被参数的测定是其另一个热点方向。

1.3研究意义

机载LiDAR作为近几年快速发展的新型主动遥感技术，具有高精度及高时空分辨率的特性[9]广泛的应用于社会生活中的许多领域，而我国机载LiDAR测量技术与发达国家相比还相对落后[10]，为了缩短于国外的差距，使机载LiDAR技术更加有效的服务于我国的国民经济建设，开展机载LiDAR数据的处理方法和技术的研究具有非常重要的理论意义和实用价值。而针对不同地形的数据选择合适的插值方法，并选用适当的插值尺寸是快速生成高质量DEM、DSM等数字产品的重要保障，故对其进行研究具有很重要的实用价值。

4

1 绪论

1.4论文结构

本文主要阐述了机载LiDAR数据处理的整个流程，详细介绍了数据处理的一些关键技术，具体内容如下：

第一章绪论部分主要讲述了机载LiDAR技术的国内外研究现状以及发展动态，并说明了本文的研究内容。

第二章主要介绍了机载LiDAR测量系统的组成、和测量原理，对机载LiDAR测量数据的特点以及用途做了简单的阐述，并和传统摄影测量和SAR技术做了对比，简要介绍了机载LiDAR系统涉及到得坐标系及坐标转换，对系统涉及到的误差做了简单的说明。

第三章主要介绍了机载LiDAR数据处理的流程，分预处理和后处理两部分。其中对滤波和内插方法做了详细的理论说明，为第四章的数据处理部分做好理论基础。

第四章主要是基于第三章所阐述的理论，选用鹤壁市某地的点云数据经过滤波之后，用不同的内插方法处理并生成DEM、DSM及相关晕渲图，并对实验结果做详细的对比，给出了自己的理解和看法。

第五章就本文的内容作了简单的总结和展望。

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2 机载LiDAR系统简介

2 机载LiDAR系统简介

激光LiDAR是“光探测和测距”(Light detection and ranging)的简称，最早被称为光LiDAR，是因为当时所使用的光源不是激光。自从激光发射器发明之后，激光作为一种高亮度、低发散的相干光成为光LiDAR的主要光源，故称之为激光LiDAR。激光LiDAR是20世纪中后期发展起来的，它是一门主动式对地观测的高新技术，广泛应用于地球科学和行星科学等众多领域，随着全球定位系统和惯性导航系统的发展成熟，人们将激光LiDAR搭载在飞机等各种飞行器上，这些设备的协同工作就构成了现在所说的机载LiDAR测量系统。

2.1机载LiDAR测量系统的组成

典型的激光LiDAR系统一般包括动态差分GPS接收机，姿态测量系统，激光测距系统和成像装置四个部分[11]。如图2-1所示。

图2-1 典型机载LiDAR测量系统组成单元

Fig.2-1 Typical airborne LiDAR measuring system composed of modules

2.1.1 动态差分GPS接收机

动态差分GPS接收机主要是用来确定激光LiDAR信号发射参考点的空间位置。全球导航卫星定位系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）的建立基本上解决了人们在地球上的导航和精确定位问题。GNSS与现代通信的结合，使测定地面的三维坐标的方法从静态发展到动态的实时定位与导航，在精度、速度、效率、成本等方面都显示了前所未有的优越性[12]。

全球导航卫星定位系统已经广泛应用于确定车、船、飞机以及各种飞行器等

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/91qm.html