机载激光雷达原理与应用科普（十一）
一、數據組成
機載LiDAR系統是一個復雜的系統，包含了激光測距儀、角度編碼器、GPS、INS等子系統，每個子系統都有相應的數據，包括激光測距數據、GPS數據、INS數據、同步時間數據、多波段傳感器的數據等。這其中有些是過程數據，例如：INS數據、GPS數據等；有些是結果數據，如：坐標數據、高程數據、回波強度數據等。
本文不對中間數據的特點、處理做過多介紹和分析，重點對經過綜合解算處理的遙感信息進行介紹和研究。根據目前的硬件情況，機載LiDAR系統提供的基本信息是三維點云數據和強度信息數據，依據具體搭載和配置的傳感器的不同，很多機載激光雷達設備還能夠提供全波形數據、中等幅面的數碼影像數據，甚至還有多光譜數據等。下面將分別對其進行簡單介紹。
二、 數據格式
目前，機載LiDAR數據大都由硬件制造商自己提供的，都是一些經過處理過的數據，而且數據的種類也不盡相同，有的提供內插過的格網數據，有的提供首次回波和末次回波信息，有的公司卻不提供這些數據，數據的格式也不盡一樣。這使得沒有硬件生產能力的軟件商幾乎無法涉足這一領域，限制了機載激光雷達技術的應用和推廣。而且，用戶如果有不同的需要，往往要同提供商進行交涉，有時還必須自己對數據做進一步的處理，這大大影響了用戶的使用效率和使用熱情。因此，如何規范機載LiDAR數據的格式，制定一個開放的標準，使機載LiDAR系統提供商能夠為軟件商提供通用的數據，對于拓展機載LiDAR的應用具有十分重要的意義。
目前國際上常用的LiDAR數據存儲格式包括ASCII文本、柵格以及自定義二進制格式等。ASCII文本直接將LiDAR點的X、Y、Z坐標轉換成ASCII碼存儲，占用空間較大，數據長度不固定難以建立索引；柵格文件格式是一種成熟的地理數據存儲方法，但由于LiDAR數據為離散點，如果采用柵格方式存儲，需要對原始數據進行內插，可能造成有用信息的丟失，影響了原始數據的精度；而一些硬件廠商采用的自定義二進制記錄格式往往只是針對特定的硬件設備和數據處理軟件，難以實現數據共享。為了方便不同的硬件廠商、軟件廠商和用戶之間進行數據交換和共享，ASPRS下屬的LiDAR委員會制定了LiDAR數據的標準交換格式——LAS格式。LAS格式較好地顧及了LiDAR數據的特點，其結構合理，便于擴展，有力地推動了LiDAR數據處理軟件的發展和LiDAR應用的普及。
1、LAS格式
在2003年5月9日美國攝影測量與遙感(ASPRS)協會提出了Lidar Data Exchange Format Standard(LDEFS)1.0標準，其是一種開放的二進制格式的數據格式，用于存儲由INS、DGPS、激光測距數據生成的目標點的三維坐標數據。按照ASPRS LiDAR數據標準生成并具備以las為后綴的數據文件即是LAS數據，這些數據可以被很多種三維GIS軟件所支持。下面對該格式做簡單介紹。
LAS 1.0版LiDAR標準格式經過改進，目前已有4種版本，分別是LAS 1.0，1.1，1.2，與2.0。2003年的LAS 1.0版定義了LAS格式的基本框架，即公共數據區，可變長數據記錄區和激光腳點數據區三部分。ASPRS 2005年發布了LAS 1.1，隨后發布的LAS 1.2標準格式延續了LAS 1.0的原有框架，并對一些字段的解釋和組合進行了一些調整，LAS Specification Version 2.0 PROPOSAL對原有的文件格式缺陷做了補充，同時又增加了一些可拓展的數據頭文件，以滿足用戶新的需求。原先可讀寫LAS 1.0的系統只需做一些改進就可適用新版本的數據格式。這些新的調整包括：
1) 定義了一種新的追蹤點的方法
LAS 1.1公共文件頭區新增了文件源ID字段。同時，原GUID字段改為工程ID，工程ID聯合文件源ID保證同一個工程下的每一個文件以及同一個文件中的每一點都可以被唯一識別。
2) 為便于點的識別和使用
LAS 1.1規定點集記錄中的分類為必選字段，并定義了一套點分類標準，該字段前0到4位用來存儲包括未分類點、地面點、低矮植被到建筑物等32種分類。5、6、7位用來標記合成點或者關鍵點。
3) 增加紅綠藍字段
考慮到彩色化LiDAR點的需要，LAS 1.2定義了“3號格式”和“4號格式”點記錄，它們增加了紅、綠、藍字段，用來識別在彩色化LiDAR點時要采用的顏色通道。
在結構上，如圖2-23所示，LAS 2.0添加了元數據塊，用來定義激光腳點記錄的內容和格式。用戶只需在元數據模塊里提供新的字段名和數據類型就可以向點記錄里添加自定義的字段。在坐標系使用上，之前的LAS 1.X系列引用GeoTIFF柵格坐標機制，并存儲在變長記錄里。但LiDAR點云對應點的三維絕對坐標，不同于柵格機制。為便于迅速識別坐標系信息，LAS 2.0在公共文件頭區中新增了和坐標系相關的字段。同時，新的坐標系包括：可滿足制圖需要的地理、投影坐標系，笛卡爾坐標系適用于基于本地坐標系的地面LiDAR數據，以及與GPS采用的橢球坐標系機制相同的正橢球坐標系與負橢球坐標系，這便于保存高精度的GPS測得的橢球高等數據。對于地理、投影坐標系，采用與ArcGIS兼容的WKT坐標系轉換機制，保證LAS2.0格式數據的坐標可直接應用于ArcGIS平臺。
圖2-23 LAS 1.X系列與LAS 2.0文件結構對比圖
表2-1 用戶自定義字段舉例
為了記錄獲取激光點的時間，LAS 2.0(擬定版)引進了GPS時(Lasf_GPS_week_time)與標準時(Lasf_Posix_time)兩種機制。但GPS時在每個周日0點歸零的循環規則容易導致文件融合過程中時間記錄的混亂。為提高時間記錄的精度和準確性，LAS 2.0(擬定版)引進并鼓勵用戶采用標準時(Lasf_Posix_time)算法，在2008年發布的LAS 1.2中正式采用了標準時(Lasf_Posix_time)字段。它的精度可達百萬分之一秒，滿足了記錄高精度的測點時間的要求。
2、柵格格式
有很多公司采用柵格格式作為LiDAR的數據格式、例如，采用ArcInfo Grid格式的數據作為通用格式。具體格式分為兩部分：
ncols：行數
nrows：列數
xllcenter：中心點x坐標
yllcenter：中心點y坐標
cellsize：采樣間距
NODATA_value：9999.000000（無效數據）
這是規則化后的LiDAR數據，是將離散化后的數據先進行行重采樣，再按照ARCINFO的標準格式進行組織的。很明顯，柵格格式經過了重采樣，盡管減少了數據量，提高了讀取速度，減小了處理時間，但是影響了原始數據的精度。
3、自定義文本格式
這種格式直接以文本的方式記錄LiDAR數據，每一行記錄一束激光的回波數據，以不同的列記錄不同屬性的數據，一般會在數據中間加以說明。例如，ISPRS提供一種文本格式的數據，其格式是：首次回波的x、y、z，首次回波的回波強度d，末次回波的x、y、z，末次回波的回波強度d。共計8列。
可以看出，這些格式的文件都只記錄了LiDAR的基本數據信息，對應增加的數據一般都使用該種數據自己的標準格式進行記錄。例如，數碼影像使用的是自己的通用格式，如tif格式。波形數據比較新穎，目前還沒有標準的格式，一般使用硬件廠商自定義的格式和軟件進行存儲和處理。
[參考文獻] 王麗英. 機載LiDAR數據誤差處理理論與方法[M]. 測繪出版社, 2013
總結
以上是生活随笔為你收集整理的机载激光雷达原理与应用科普（十一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
