劉鋒 張金偉

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 TerraSolid 軟件的分類原理

TerraSolid 軟件是由芬蘭的赫爾辛基TerraSolidOY公司開發(fā)的第一套商業(yè)化處理激光點云數(shù)據(jù)的軟件，基于Microstation 開發(fā)的，運行于Microstation 系統(tǒng)之上的，在日常應用過程中主要用到八大模塊：TerraMatch（平差和精準匹配模塊）、TerraScan（點云數(shù)據(jù)處理基礎模塊）、TerraModeler（地形建模應用模塊）、TerraPhoto（正射影像處理模塊）、TerraSurvey（3D數(shù)字測圖軟件模塊）、TerraPhotoViewer（三維瀏覽高分辨率正射影像的模塊）、TerraScanViewer（激光點云分類數(shù)據(jù)的可視化軟件模塊）、TerraSlave（分布式處理模塊）等模塊。其中在水利工程中TerraSolid軟件處理機載激光點云分類的主要模塊是其中的TerraScan 模塊。TerraSolid 的分類原理是2000 年由Axelsson 提出的一種基于不規(guī)則三角網的漸進式加密方法。第一步，TerraSolid 軟件是通過點云中的某一個點由它的一定最小區(qū)域內生成一個原始的三角網（TIN）；第二步，通過三角網的層層迭代計算處理并加密，將符合要求的數(shù)據(jù)通過設定閾值條件自動添加到三角網中，軟件重新計算閾值條件，再逐步對原始點云周邊的點云進行計算并判斷，將滿足設定條件的點云繼續(xù)添加，直到沒有新的點云數(shù)據(jù)加入為止。分類是機載激光點云數(shù)據(jù)處理過程中最重要的步驟，只有通過TerraSolid 軟件提取出相對準確的地面點數(shù)據(jù)，才能生成準確的DEM 數(shù)據(jù)。在點云數(shù)據(jù)處理過程中，設定閾值條件是重點也是難點，如果閾值條件選取得不合適，會使新加入的點云是否為真實地面點數(shù)據(jù)的出現(xiàn)準確性問題。

2 試驗區(qū)數(shù)據(jù)

試驗區(qū)位于淮河流域內河南省沙潁河某地區(qū)。該試驗區(qū)域內地形主要包含水域、村莊、耕地以及植被，整個試驗區(qū)地勢分布相對平坦，但局部區(qū)域內堤防與耕地相對高差也較大。測區(qū)的原始點云數(shù)據(jù)由33905370 個點構成，平均點云密度為每平米28 個激光點。試驗區(qū)數(shù)據(jù)是通過IE 解算軌跡、數(shù)據(jù)預處理、航帶拼接以及航帶平差以后的LAS 標準格式的原始數(shù)據(jù)。

3 基于TerraSolid 軟件對沙潁河某地區(qū)點云數(shù)據(jù)分類處理

機載激光點云數(shù)據(jù)分類處理的過程比較繁瑣復雜，處理步驟大致分為下面幾步。

3.1 去噪、分類低點

由于試驗區(qū)內河流以及溝塘等水域較多，機載激光點云被水面吸收和反射的較多，機載激光點云在軟件中形成前視圖。在前視圖中能夠顯示出激光點云中低點以及空中噪點的位置和數(shù)量，這些低點和噪點點云在工程應用中不能使用，因此在分類地面點之前要去掉這些低點和噪點。由于噪點絕大部分是高于高植被的點云，因此噪點可以通過TerraSolid 參數(shù)設置在分類地面點之前去噪。在分類低點之前第一步就是把所有激光點云歸類至Default，如圖1 所示。然后在Default 中分類低點，如圖2 所示。分類低點的步驟是：首先通過系統(tǒng)設置參數(shù)分類大部分的低點，然后再通過絕對高程的方式分類低點，最后手動通過軟件調整小部分未分類的低點，完成最終的分類低點工作。

圖1 所有點云歸類至Default 示意圖

圖2 分類低點參數(shù)設置示意圖

3.2 分類地面點

TerraSolid 分類激光點云數(shù)據(jù)的方式是采用不規(guī)則三角網進行漸進加密，所以，軟件通過點云數(shù)據(jù)不斷地建立地面三角模型來逐步分離非地面點。打開TerraSolid 軟件中的TerraScan 模塊，在Tools 工具欄中加載Macro 算法，在Macro 算法中File 中選擇之前做好的用于分類低點、地面點、噪點、低植被、中植被、高植被以及建筑物的相關算法，選擇好的算法如圖3 所示。在實驗過程中，由于水利工程中需要的最主要部分為地面高程點，所以對分類地面點的算法參數(shù)進行詳細設置，具體參數(shù)設置如圖4 所示。在分類過程中主要參數(shù)的作用：其中Terrainangle 參數(shù)是地形最陡坡度，是點在迭代三角面上的投影點與該點最近的三角頂點之間的最大角，通常軟件默認Iterationangle 值的范圍為4.0～10.0m之間，而Iterationdistance 是點到迭代三角面的最大距離，通常軟件默認Iterationdistance 值的范圍在0.5～1.5m 之間。經過多次的實驗研究表明圖4 所示前面的參數(shù)設置適合于地形比較平緩的平原地區(qū)，后面的參數(shù)設置適合于含丘陵或者山區(qū)高差較大的地形地區(qū)。

圖3 TerraSolid 分類算法示意圖

3.3 調整分類算法參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理

由于整個測區(qū)地形起伏雖然不大，但是局部區(qū)域內堤防與平地高程相差較為明顯，所以對試驗區(qū)的數(shù)據(jù)進行分開處理。圖4 中Terrainangle 與Iterationdistance 參數(shù)，決定了未分類的點云是否加入三角迭代的算法閾值條件中。在整個測區(qū)范圍內，開始設置迭代角度較小和兩點迭代距離相對較大的參數(shù)進行分類激光點云數(shù)據(jù)。在局部區(qū)域內，高差相對較大的丘陵或者山區(qū)地形，設置迭代角度較大和兩點迭代距離相對較小的參數(shù)進行局部的分類激光點云數(shù)據(jù)。在不調整其他參數(shù)的情況下，通過不斷變換不同的迭代參數(shù)，對原始點云數(shù)據(jù)進行分類算法處理。處理結果如圖5，從圖中分類結果可以看出，原始點云33905370 個點，分類結束以后，低點6963 個、地面點9144200 個、噪點2018 個、低植被24372152 個、中植被8193112 個、高植被7227714 個以及建筑物4638415 個。

圖4 TerraSolid 分類地面點參數(shù)設置示意圖

圖5 分類結果示意圖

4 數(shù)據(jù)輸出

4.1 機載激光點云數(shù)據(jù)輸出

機載激光點云數(shù)據(jù)分類結束以后，進行粗差剔除，點云數(shù)據(jù)量會減少，數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象也相應得到解決。通過TerraSolid 軟件輸出分類后的數(shù)據(jù)，格式按照水利工程要求處理成通用格式的LAS 數(shù)據(jù)。

4.2 平面坐標和高程的轉換

通常機載激光點云的三維坐標數(shù)據(jù)一般默認都是建立在WGS84 坐標系下，而水利工程應用過程中通常采用的是CGCS2000 坐標系，因此，需要進行坐標轉換。機載激光點云的高程數(shù)據(jù)是采集的大地高，而水利工程應用過程中通常采用的1985 黃海高程基準對應的正常高。因此也要對高程進行高程基準的轉換。通過外業(yè)采集的圖根控制點數(shù)據(jù)求取布爾沙七參數(shù)，通過七參數(shù)轉換之前輸出的通用格式的LAS 數(shù)據(jù)得到相對應的平面坐標和高程。

4.3 生成DEM 和DOM

根據(jù)分類和坐標轉換獲取的地面點高程數(shù)據(jù)，按照一定的內插條件和方式生成水利工程需要的相應比例尺對應的DEM 以及相關成果,將無人機采集的高分辨率影像進行分布式處理，通過采集的航片內外方位元素對影像進行空中三角測量，然后影像鑲嵌之前生成的DEM 文件，在內業(yè)生產出正射影像圖（DOM）。生成的DEM 數(shù)據(jù)和DOM 數(shù)據(jù)為后期的地形圖成圖以及三維建模提供基準。

5 結語

本文利用TerraSolid 軟件中的TerraScan 激光點云處理模塊對沙潁河局部地區(qū)的點云數(shù)據(jù)進行分類處理，詳細介紹了TerraSolid 軟件處理激光點云數(shù)據(jù)的流程。包括解算原始點云數(shù)據(jù)、去噪、點云低點的剔除、點云分類處理流程以及生成最終的DEM 和DOM成果數(shù)據(jù)。本文的點云分類算法參數(shù)調整提高了在不同區(qū)域地形情況下的處理點云數(shù)據(jù)的效率和精度