激光雷达点云数据处理软件对比及其应用研究

激光雷达点云数据处理软件对比及其应用研究

曹炳霞;黄剑飞

【摘 要】文中介绍了TerraSolid、LiDAR Suite和LiDAR-DP三款软件功能,分析

了软件各自优缺点,通过试验比较了软件在不同地形特征区域的激光雷达点云滤波

效果.最后,提出了一种结合TerraSolid、LiDAR Suite和LiDAR-DP软件处理激光

点云数据,制作数字高程模型(DEM)的技术方法,为高精度DEM生产提供参考.

【期刊名称】《矿山测量》

【年(卷),期】2019(047)001

【总页数】4页(P109-112)

【关键词】激光雷达;TerraSolid;LiDAR Suite;LiDAR-DP;数字高程模型

【作 者】曹炳霞;黄剑飞

【作者单位】广东省国土资源技术中心,广东广州 510075;广东省测绘产品质量监

督检验中心,广东广州 510075

【正文语种】中女生头像小孩 文

【中图分类】TD172;P225

机载激光雷达(LiDAR)作为一种能够大规模获得地面三维数字信息的新技术手段，

具有对像控测量依赖小、精度高、全天候、工作效率高、成果周期短等特点[1]，

其数据后处理成果已经在地形测绘、DEM、DOM制作、城市三维建模、公路选

线、水利建设、森林评估、海岸线提取、电力巡线与选线、应急救灾等领域得到广

泛应用[2]。目前，LiDAR点云数据后处理软件国外主要有TerraSolid、LP360、

ENVI LiDAR、INPHO SCOP++、TopPIT、REALM等，国内主要有中国测绘科

学研究院LiDAR Station、武汉天擎空间信息技术有限公司LiDAR Suite、北京数

字绿土科技有限公司LiDAR360、西安煤航LiDAR-DP等[3]。

点云滤波作为DEM生产和进一步精化分类的基础，是通过一定的规则和数学模型

将地面点和非地面点区分的过程[4]。在LiDAR的数据后处理过程中，点云数据的

分类工作占60%～80%的工作量[5]，目前还没有能够完全自动化点云分类获得满

足成果精度的软件，点云滤波效果和人机交互友好性将直接影响DEM生产的效率，

有必要从软件的功能、人机交互的友好性、点云滤波效果、滤波适用地形特征进行

比较分析，从而选择适合测区地形特征的大规模生产高精度DEM的方法。

1 点云数据后处理软件功能比较

TerraSolid软件是基于Microstation平台开发的一款点云后处理软件，它主要包

含TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto、TerraMatch等模块，其中

TerraScan模块主要用于处理激光点云数据，TerraModeler主要用于建立地表模

型，TerraPhoto主要用于生产正射影像，TerraMatch主要用于点云航带拼接，

该软件功能强大，具有600多个工具，能处理数百万的点云数据，在2 GB内存

条件下载入39 000 000个点只需40 s[5]。该软件滤波可选方法很多，但是很多

参数设置需要在大量实验基础上获得经验值。LiDAR Suite软件是一款集成机载激

光雷达数据预处理、基础共性处理和专业应用处理的软件，可完成海量点云数据的

工程化组织管理及批处理、集群环境下的点云数据快速处理[6]。LiDAR-DP软件

是一款以机载LiDAR点云为主要数据源，对数据进行工电高压锅使用方法 程化管理、多视图浏览、

快速数据预处理、自动化算法辅助的交互式分类编辑和地物信息提取，最终生成

DSM、DEM、等高线等基础数字产品的软件。TerraSolid、LiDAR Suite、

LiDAR-DP三款软件的功能比较见表1。

表1 TerraSolid、LiDAR Suite、LiDAR-DP三款软件功能比较软件名称研发单位

滤波原理软件功能优点缺点TerraSolid芬兰TerraSolid主要使用基于不规则三角

网的渐进加密算法。用于处理点云数据、建立DSM、DOM及DEM。功能强大,

性能稳定,提供多方式浏览、交互式分类点云、矢量元素工具。功能复杂,界面欠友

好,操作不易上手。LiDAR Suite武汉天擎基于不规则三角网的渐进加密算法。点

云精度检校、点云处理,DEM生产及三维建模。人机交互好、处理效率较高,提供

二次开发功能。功能较单一。LiDAR-DP西安煤航基于不规则三角网的渐进加密算

法。点云处理,人工交互编辑及DEM生产。具有点云交互式分类编辑功能,界面简

洁,易操作。功能较单一。

从以上功能比较可以看出，TerraSolid软件点云数据处理功能更加全面，性能稳

定国外o2o案例 ，其面向的客户对象是全球各行业的。国产LiDAR Suite、LiDAR-DP软件更注

重人机交互的便捷和作业效率，更适合国内生产人员进行点云数据的人工编辑和

DEM/DSM等专业产品的生产。

2 点云滤波效果比较及结果分析

点云分类处理主要包括点云滤波和人工编辑，点云滤波的效果直接决定了后续人工

干预的程度，滤波的效果不够准确，就会有较多的人工编辑，工作量也相对较大，

在大面积DEM生产作业中滤波效果就显得尤为重要。

2.1 试验区概况

试验区位于广州市，处于珠江三角洲中北缘，东经11257′～1143′，北纬

2226′～2356′之间。广州地势东北高、西南低，背山面海，北部是森林集中的

山区，中部是丘陵盆地，南部为沿海冲积平原，水系发达。试验选择广州市周边植

被茂密的山地、成片鱼塘区、中心建成区、城乡结合部等典型地形特征区域，分别

使用TerraSolid、LiDAR Suite、LiDAR-DP软件进行点云滤波，并对滤波结果进

行比较。

参与试验的LiDAR点云数据采用Optech ALTM Galaxy设备采集，点云密度4

点每平方米。初始试验数据采用均是已经过数据预处理，剔除低点、飞点等粗差的

点云数据，各软件使用的试验数据相同。

2.2 滤波参数设置

从点云滤波的参数设置上看，三款软件均是采用的基于不规则三角网(TIN)的渐进

加密算法。该算法先是选择种子点，通过种子点由最小区域生成一个稀疏的TIN；

然后，根据设置的角度阈值和距离阈值，将符合阈值条件的点添加到三角网中，并

重新计算阈值条件，逐层对周围的点进行判断，满足条件的点继续添加，通过上述

迭代处理，直到没有新点加入为止[7]。虽然三款软件点云滤波采用的文件怎么打开 数学模型一

致，但由于各软件均已封装，且不对外界公布其具体算法及源代码，用户无法得知

其算法的可靠性和稳定性，故有必要对软件滤波效果进行试验比较。

基于不规则三角网(TIN)的渐进加密算法中对滤波效果影响较大的参数主要有建筑

物最大距离、迭代角度、迭代距离三个[8]，本次试验参数设置采用各地形特征区

域的经验参数值，不同软件同一地形特征区域的滤波参数设置相同。

2.3 滤波效果比较

2.3.1 植被茂密的山地

试验区域地形起伏较大，沿山脊处有一条防火带，植被上层为乔木，中层为灌木，

底层为草地，植被多层覆盖，且非常密集。因植被覆盖度高，点云很难穿透植被到

达地面，地面点相对较少，甚至部分区域会缺少地面点。点云滤波后，一般要求能

够恢复出地形起伏，并防止出现山脊削平、山谷构网较大产生失真的情况[9]。试

验滤波参数设置为：建筑物最大距离30 m，迭代角度10.0，迭代距离1.0 m，

滤波后地面点构三角网渲染效果见图1。

图1 植被茂密的山地滤波效果比较

从图1可以看出，三款软件滤波后较好的恢复出了山脊、山谷等形状，但均存在

毛刺现象。LiDAR-DP毛刺较少，TerraSolid、LiDAR Suite稍多；TerraSolid、

LiDAR-DP较好的恢复了防火带形状，而LiDAR Suite防火带边界有些模糊，需

较多人工编辑。

2.3.2 成片池塘区

试验区域地形相对平坦，水面与周边坎有一定坡度，大部分坎上长满低矮植被。正

常情况下水体区域因反射率低、书法欣赏 反射点较少，但此区域为养殖鱼塘，水体杂质较多，

反射率相对较大，水面有大量反射点。点云滤波后，一般要求能够恢复塘坎形状，

防止塘坎出现扯平情况[10]。滤波参数设置为：建筑物最大距离45 m，迭代角度

9.0，迭代距离1.4 m，滤波后地面点构三角网渲染效果如图2。

图2 成片池塘区滤波效果比较

从图2可以看出，三款软件滤波后，部分比较明显的坎均已恢复出来，其中

Terrasolid恢复出了大部分的塘坎，LiDAR-DP次之，LiDAR Suite相对较差，多

数塘坎出现了不连续现象，需大量人工编辑进行坎的恢复。

2.3.3 中心建成区

试验区域地形平坦，建筑区排列较整齐，路网密集，个别建筑物周边附属结构复杂。

无人工构筑物遮挡的道路、广场等地面点规律且密度均匀，广场、小区的花圃花坛

及道路上隔离带因植被遮挡，只有少量地面点，人工构筑物遮挡的区域则无地面点。

点云滤波后，一般要求道路、广场等地形能够正确表达，建筑物应分为非地面点，

建筑物地基范围则用其周边地面点构网表示。滤波参数设置为：建筑物最大距离

100 m，迭代角度8.0，迭代距离1.2 m，滤波后地面点构三角网渲染效果如图3。

图3 中心建成区滤波效果比较

从图3可以看出，三款软件滤波效果均比较好的表达了城市中心建成区的区域特

征，人工编辑工作量较少，Terrasolid构网效果较为平滑，LiDAR-DP和LiDAR

Suite出现了个别毛刺现象。

2.3.4 城乡结合部

试验区域地形、地物特征较为综合，包括河流、田地、植被、道路、居民建筑及公

园绿化地等，地形较为复杂多变。点云滤波后，一般要求能够把整体地形表达出来，

防止出现大面积分类错漏。滤波参数设置为：建筑物最大距离60 m，迭代微信长图怎么制作 角度

8.0，迭代距离1.4 m，滤波后地面点构三角网渲染效果如图4。

图4 城乡结合部滤波效果比较

从图4可以看出，三款软件滤波后，地形的整体效果基本表达了出来，其中

Terrasolid兼顾体现出了居民建筑、道路、水体区域各地形特征的细节，LiDAR-

DP次之，而LiDAR Suite对于水体、道路边界轮廓的表达有些模糊。

2.4 结果分析

通过三款软件在四个不同地形特征区域的点云滤波结果对比，结果分析如下：

(1)在植被茂密的山地和中心建城区，在相同参数下，三款软件滤波效果大致相当，

个别细节处Terrasolid表现更好，LiDAR-DP、LiDAR Suite次之。

(2)在大面积水塘和地形地物综合的城乡结合部，Terrasolid滤波效果优势相对比

较明显。

从以上对比分析可以看出，不同软件在不同地形特征区域的滤波效果存在差异，主

要原因是三款软件采用的算法虽然相同，但在算法的细节处理方面存在差异，导致

出现滤波参数设置相同，滤波结果不同的情况。

3 结 语

综合三款软件功能分析、点云滤波效果比较的结果，Terrasolid点云滤波效果稳定，

滤波方面优势明显，LiDAR Suite、LiDAR-DP作为国产专业生产DEM/DSM的

主流商业软件，具有操作简便、人机交互界面友好、生产效率高的优点。在大规模

DEM生产作业中选用Terrasolid进行点云滤波， LiDAR-DP或LiDAR Suite进

行后期人工编辑，是一种效率较高的DEM生产方法，可为广东省机载LiDAR点

云数据获取与DEM更新项目生产提供参考。该方法在实际应用时需同时购置至少

两款点云处理软件，软件成本较高，适合较大面积大比例尺DEM生产。

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