基于LiDAR的数字高程模型水域高程赋值研究

基于LiDAR的数字高程模型水域高程赋值研究

张鸽垢元培

河北省地矿局第二地质大队河北唐山063000

摘要：本文主要针对ArcGIS地理地理信息软件和自定义脚本工具在基于LiDAR的已有高精度数字高程模型水域高程赋值上的应用进行了介绍；从已有LAS点云数据中提取水域边界，静止水域高程赋值以及流动水域分段赋值的处理方法和流程，并对关键技术环节进行了分析和总结。

关键词：LiDAR；数字高程模型；水域高程赋值；ArcGIS

1水域高程赋值处理流程

首先需获取水域边界，再运用不同技术方法，分别对静止水域（湖泊、水库、水塘等）、流动水域（河流、沟渠等）进行高程赋值，且需对赋值环节进行必要的质量检查，主要检查高程赋值是否与周围高差过大，关系是否合理等。水域高程赋值处理流程如图1所示。

图一高精度DEM水域高程赋值处理流程图

2水域边界的提取

2.1点云提取水域边界。点云数据为las格式，且为分类后数据。las格式是由美国摄影测量与遥感协会（ASPRS）设计的，在ArcGIS10.3中该格式数据受las数据集支持。现有的点云在光滑水面上无LiDAR点，水面波动区域存在一些高程点的干扰，鉴于此，本文通过栅格处理的方式在ArcGIS中提取水面无值区域，再配合同源的DOM数据进行人工干预以提取水域边界：

1）将导入的点云数据集转栅格，以参考点距离设计输出栅格像元大小。确定栅格像元大小对提取水域的质量至关重要，设置过大则水域变形严重，过小则点云的细小缝隙对水域干扰过大，应根据点云数据质量作相应调整。经试验，栅格像元大小取值为DEM格网间距的0.5~0.75倍较理想。将转出的栅格二值化，效果如图2所示。2）通过ArcGIS的SpatialAnalysis模块中的扩展工具对图2进行扩展处理，将指定的区域值（图2中白色部分，像素值为1）视为前景区域，其余区域值视为背景区域。通过该工具可使前景区域扩展到背景区域，去除图2中的部分细小黑点，如图3所示。

图二点云数据栅格化图三水域栅格边界清理后

3）扩展操作放大了实际水域（图3中黑色部分，像素值为0），必须再进行缩小操作，使用同一模块下的收缩工具，将白色区域值视为前景区域，其余区域值视为背景区域，用背景区域中的像元来替换前景区域中的像元，还原水面实际大小。将使用扩展收缩工具处理后的栅格转成矢量面，计算提取出来的矢量面积，过滤掉面积小于200m2的细小面（由点云的细小空洞造成）。消除水域空洞可采用消除面部分工具，按面积小于50%清理空洞；也可进行融合处理清理空洞。最后，套合影像检查精度，修整不合理水域。点云提取水域边界的优点为：由于已有DEM也是从点云中生产而来，两个数据的现势性、尺度一致，提取出的矢量边界与影像套合较好，人工修整编辑工作量较小，能显著提高作业效率。

3静止水域高程赋值

对于已有的高精度DEM，从等高线或高程点估读水域高程非常困难，且容易造成水域外高程比水域高程更低的不合理情况。为了使水域赋值更为合理准确，必须采取其他处理方法。经摸索，可利用ArcGIS的SpatialAnalysis扩展模块中的栅格数据处理等空间分析工具进行处理。

3.1水域内高程最小值统计。因为水域高程不能比堤岸高，一般取水域边界内高程最小值作为水域高程（后续需检查剔除异常低值点）。利用ArcGIS空间分析工具箱中的分区统计工具可快速提取水域面所在区域高程最小值，实现水域高程置平。

3.2分区栅格高程检查脚本的编写。对提取的分区栅格，应进行高程检查，检查时可使用数据管理工具箱中的获取像元值工具在水域面质心处获取分区栅格高程值。获取水域面质心点可通过ArcPy(ArcGIS附带的一种Python站点包)中多边形几何对象feat.centroid属性获得，将质心点坐标作为获取像元值工具的参数输入，提取栅格高程值。

3.3静止水域高程置平。将高程值写入水域面属性项后进行检查，若高程异常，则在水域面的高程属性字段中进行改正，再使用面转栅格工具将改正后的水域面转为栅格。面转栅格工具参数“值字段”应与原始DEM的像素类型一致，如DEM为浮点型（float）则该字段类型也应为float。栅格环境中应设置“捕捉栅格”选项，使转出的水域栅格与原始DEM格网对齐。将水域栅格镶嵌回原DEM，处理后的水域高程值应保持一致，且水域高程满足DEM精度要求。

4流动水域高程赋值

4.1流动水域边界提取。DEM中流动水域主要包括水系要素中的双线河以及双线干渠、支渠。流动水域可根据其形态来辨别，亦可根据现有矢量水系数据判定，边界提取方法与静止水域基本相同。

4.2流动水域分段。1）河流、沟渠中心线的提取。利用ArcScan提供的矢量化工具，将河流、沟渠栅格二值化（河流、沟渠为1，背景为0）后转换为中心线矢量要素图层。2）对中心线进行分段。打开ArcMap编辑器的“构造点”工具，在中心线上按照一定步长生成分段点，再利用分段点对中心线进行分段。3）流动水域面分段。将生成的分段河流、沟渠中心线作缓冲区，缓冲区的宽度根据河流、沟渠实际宽度（ArcScan矢量化中心线时可存储河流、沟渠宽度）确定。利用缓冲区的分段面对流动水域面进行标识处理，完成流动水域面的分段。

4.3流动水域高程改化

4.3.1高程改化思路。下游分段面的高程不能比上游高，因此只要把每个干流、支流的源头提取出来，利用分段面上下游空间相邻的关系，从源头遍历水域高程，将每个面与上下游高程进行比较，对不合理的高程进行修改即可。

4.3.2高程改化的实现。以河流为例，将河流分段成果中添加字段：ID（short）、mark（short）、ELEV（float）和ELEV_1（float）；将河流各支流提取出来，每一支流赋一个ID值，一般先提取干流，再提取支流，所有mark初始值为0，把每一支流的起始面（源头）“mark”赋值为1。运行河流高程改化工具进行河流、沟渠高程改化，改化前应先确定干流的上下游高程，注意与高精度DEM范围外其他数据高程关系的合理性。

结语

综上所述，本文利用ArcGIS的栅格处理功能，探索了从已有点云数据中提取水域，并结合影像修改不合理区域后，获得与DEM相同现势性水域边界的方法；利用栅格分区统计功能，结合自定义的脚本工具，解决了基于LiDAR的高精度DEM静止水域未置平问题；通过对流动水域进行步距分段，分段批量赋值后进行高程改化，实现了流动水域高程的平缓过渡。

参考文献：

[1]靳克强,龚志辉,王勃,等.机载激光雷达数据提取DEM的关键技术分析[J].测绘工程,2010,19(6):39-42

[2]王翠平,王豪伟,刘明,等.基于机载激光雷达点云数据的河网提取方法研究[J].中国水土保持,2011(10):53-55

[3]程圆娥,周绍光,袁春琦,等.结合LiDAR与遥感影像的水域边界提取方法[J].地理空间信息,2017,15(2):76-79

[4]王峰,刘平芝,徐道柱.基于高差分块的河流区域DEM自动赋值方法[J].测绘科学技术学报,2015,32(3):321-325