TerraScan在LiDAR点云滤波中的应用研究

的不同而相应地变化 。 ［５］ 该算法的最大优点是 能 够 保 留 地 面 断 裂 特 征 ，可 以 处 理 曲 面 不 连 续 的 情 况 ，适 用于密集的城区。
由于该算法中的初始种子点是选择粗尺度网格 中 的 最 低 点 ，因 此 其 容 易 受 到 极 低 局 外 点 的 影 响 ，在 进行滤波前应尽量对局外点加以滤除。在三角网加 密 迭 代 过 程 中 ，对 于 复 杂 区 域 ，特 别 是 具 有 陡 峭 的 斜 坡 、交 通 设 施 较 多 等 地 形 特 征 的 地 方 ，由 于 阈 值 条 件 的 针 对 性 ，会 出 现 一 些 真 实 的 地 形 点 ，比 如 陡 坡 转 角 上的边缘点，始终都 不 能 满 足 添 加 到 三 角 网 的 阈 值 条 件 ，常 常 被 漏 选 。 对 于 这 种 情 况 ，该 算 法 采 用 镜 像 的方法，在一定程度 上 解 决 了 陡 坡 上 边 缘 点 可 能 被 漏选的问题 。 ［５］ 虽然该算法使用数学镜像方法 具 有 一定可行性，但是该 算 法 并 没 有 给 出 合 理 的 理 论 根 据，仅是经验算法，难 以 保 证 普 适 性 和 稳 健 性，并 且 对连接斜坡和较高处的地形点也不能较好地ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｎｇｉｎｇ）作为 一种主动式新型遥 感 测 量 方 式，由 于 其 作 业 时 间 不 受 光 照 影 响 ，并 具 有 快 速 、精 确 获 取 地 面 三 维 空 间 信
息的能力［１］，因此受到人们的高度重视，近年来 得 到 了快速发展，平均每年 以 ２５％ 的 速 度 增 长 。 ［２］ 根 据 文献［３］介 绍，机 载 ＬｉＤＡＲ 硬 件 发 展 已 趋 于 成 熟， 在１ｍ２ 范围内激光点数达到十几个，得到非 常 高 的 地表 分 辨 率。 然 而，由 于 机 载 ＬｉＤＡＲ 点 云 分 布 不
尺寸／ｍ 最大值／（°） （°）
ｍ
７０
７０
５
１
７０
７０
１０
１
按照表１中试验１设置的滤波参数滤波后的山 顶 ＤＥＭ 效果图见图１中上部视 图。 按 照 表 １ 中 试
第２０卷 第３期
２０１１年９月
淮 海 工 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－６６８５．２０１１．０３．０１２
１ ＴｅｒｒａＳｃａｎ的滤波思想
２０００年 Ａｘｅｌｓｓｏｎ提出了 一 种 基 于 不 规 则 三 角 网（ＴＩＮ）的滤波算 法［４］，其 利 用 ＴＩＮ 渐 进 加 密 来 滤 除非地 面 点 生 成 ＤＥＭ。ＴｅｒｒａＳｃａｎ 就 是 采 用 了 该 算法的基本思想。 该 滤 波 算 法 的 基 本 思 路 是：首 先 将区域内的点划分 成 单 位 间 距 较 大 的 规 则 网 格，比 如３０ｍ×３０ｍ 为一个单元，然后通过寻找每个粗尺 度网格中的最低点 作 为 初 始 的 种 子 点，用 这 些 初 始 种子点生 成 一 个 稀 疏 的 ＴＩＮ，再 对 各 点 进 行 判 断； 最初，ＴＩＮ 位于这 些 点 的 下 方，并 且 ＴＩＮ 的 曲 率 受 到参数的限制。在 加 密 过 程 中，如 果 该 点 到 待 加 入 三角面的垂直距离以及该点到３个顶点的角度都小 于 设 定 的 阈 值 ，则 将 该 点 加 入 地 面 点 集 合 ；接 着 重 新 计算 ＴＩＮ，然 后 再 对 非 地 面 点 集 合 内 的 点 进 行 判 别 。 如 此 迭 代 处 理 逐 层 加 密 ，直 到 遍 历 完 所 有 的 点 ， 不再增加新 的 地 面 点 为 止，把 原 始 的 ＬｉＤＡＲ 点 云 分为地面点和非地面点。这种算法的关键是阈值的 选取，使用不同 的 阈 值 会 产 生 不 同 的 滤 波 结 果。 因 此 ，在 运 用 这 种 方 法 时 ，阈 值 应 该 随 着 测 区 地 形 种 类
第３期
史建青等：ＴｅｒｒａＳｃａｎ在 ＬｉＤＡＲ 点云滤波中的应用研究
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规 则 ，并 受 到 多 种 误 差 源 的 影 响 ，使 得 点 云 数 据 后 处 理软件研发滞后，现 在 几 个 投 入 商 业 运 作 的 后 处 理 软 件 大 多 由 设 备 硬 件 厂 商 提 供 ，并 且 其 算 法 保 密 ，比 如芬兰 Ｔｅｒｒａｓｏｌｉｄ公司的 Ｔｅｒｒａｓｏｌｉｄ Ｓｕｉｔｅ，Ｌｅｉｃａ公 司的 ＬｉＤＡＲ Ａｎａｌｙｓｔ，美国 Ｍｅｒｒｉｃｋ公司的 ＭＡＲＳ， 美国 ＭａｔｈＷｏｒｋｓ 公 司 的 Ｍａｔｌａｂ 等 软 件。 我 国 在 ＬｉＤＡＲ 点云数据后处理方面的研究起步较晚，目前 一些高校和科研院所正在开展一些研究和软件开发 工作，其中 广 西 桂 能 信 息 有 限 公 司 已 经 开 发 了 Ｌｉ－ ＤＡＲ Ｓｔｕｄｉｏ。由于地形的 复 杂 性 和 地 物 的 多 样 性， 目前无论那一种激 光 点 云 后 处 理 软 件，都 是 基 于 某 种假设或在某种特定地形条件下才具有较满意的处 理效果，普适性较差［３］，功能有待于进一步完善 和 提 高。把 原 始 ＬｉＤＡＲ 点 云 数 据 准 确、快 速 地 分 离 为 地 面 点 和 非 地 面 点 （滤 波 ）是 激 光 点 云 后 处 理 软 件 的 重要 功 能 之 一，也 是 生 成 ＤＥＭ （ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ）、后续城 市 ３Ｄ 重 建 及 生 成 其 他 数 字 产 品 的 基础和关键，因此，对 机 载 ＬｉＤＡＲ 点 云 数 据 滤 波 方 法 和 滤 波 效 果 进 行 研 究 具 有 理 论 和 现 实 意 义。 ＴｅｒｒａＳｃａｎ作 为 一 种 影 响 较 大 的 ＬｉＤＡＲ 点 云 数 据 滤 波 软 件 ，对 其 滤 波 思 想 、处 理 速 度 和 处 理 效 果 进 行 研究有助于该领域的技术进步。本文就这个问题进 行详细的探讨。
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＴｅｒｒａＳｃａｎ ｔｏ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ＬｉＤＡＲ Ｄａｔａ Ｃｌｏｕｄ
ＳＨＩ Ｊｉａｎ－ｑｉｎｇ１，３，ＳＨＩ Ｚｈａｏ－ｌｉａｎｇ２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｄｅｓｙ ＆ Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ ２２２００５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ＆ Ｍａｐｐｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｄｅｓｙ ａｎｄ Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７９，Ｃｈｉｎａ）
＊ 收稿日期：２０１１－０３－１７；修订日期：２０１１－０５－０４ 基 金 项 目 ：江 苏 省 测 绘 科 研 项 目 （ＪＳＣＨＫＹ２０１１１４） 作者简介：史建青（１９６６－），男，河北邢台人，淮海工学院测绘工程学院副教授，博士在读，主要从事空间定位理论、激光扫描理 论 与 技 术 的 研 究 ，（Ｅ－ｍａｉｌ）ｊｉａｎｑｉｎｇｓｈ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｅｄ ｔｅｒｒａｉｎ ｐｏｉｎｔｓ ｆｒｏｍ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｉｓ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｏ ｍａｋｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｗｅ ｍａｄｅ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＴｅｒｒａＳｃａｎ， ａ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ＬｉＤＡＲ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ．Ｗｅ ｓｅｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｍａｄｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ ＬｉＤＡＲ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ ｄａｔａ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ｒｅｇｉｏｎｓ，ｕｐｌａｎｄｓ ａｎｄ ｐｌａｎｅｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｕｒｂａｎ ａｎｄ ｐｌａｎｅ ａｒｅａｓ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｗｈｉｌｅ ｔｈａｔ ｉｎ ｍｏｕｎｔａｉｎｏｕｓ ｒｅｇｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｅｒｒａｉｎｓ ｉｓ ｐｏｏｒｅｒ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｎｅｅｄｓ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬｉＤＡＲ；ＴｅｒｒａＳｃａｎ；ｔｅｒｒａｉｎ；ｆｉｌｔｅｒ；ｅｆｆｅｃｔ
ＴｅｒｒａＳｃａｎ在 ＬｉＤＡＲ 点云滤波中的应用研究＊
史 建 青１，３，史 照 良２
（１．淮海工学院 测绘工程学院，江苏 连云港 ２２２００５；２．江苏省测绘局，江苏 南京 ２１００１３； ３．武汉大学 测绘学院，湖北 武汉 ４３００７９）
摘 要：简要介绍了机载 ＬｉＤＡＲ 的发 展 现 状，从 原 始 ＬｉＤＡＲ 点 云 中 滤 波 出 真 实 的 地 面 点 是 生 成 ＤＥＭ 和其他数字产品的基础和 关 键。ＴｅｒｒａＳｃａｎ 是 一 种 机 载 ＬｉＤＡＲ 点 云 滤 波 商 业 软 件，对 其 滤 波算法进行了详细分析，利用山地、丘陵地和平地３种不同地形的 ＬｉＤＡＲ 数据，通过设置不同参数 进 行 滤 波 试 验 。 试 验 结 果 表 明 ，其 对 平 坦 地 区 和 城 区 有 较 好 的 滤 波 效 果 ，但 对 地 形 变 化 较 大 的 复 杂 山 区 滤 波 效 果 不 够 理 想 ，有 待 进 一 步 完 善 。 关 键 词 ：ＬｉＤＡＲ；ＴｅｒｒａＳｃａｎ；地 形 ；滤 波 ；效 果 中 图 分 类 号 ：Ｐ２３１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７２－６６８５（２０１１）０３－００４６－０４