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由大型激光雷达点集合创建栅格 DEM 和 DSM

需要 3D Analyst 许可。

栅格（或格网化）高程模型是最常用的 GIS 数据类型之一。它们可用于多种分析方式并且可以很容易地共享。凭借激光雷达，您能够制作出两种不同类型的高质量高程模型：第一次回波和地面。第一次回波表面包括树冠和建筑物，通常被称为数字表面模型 (DSM)。地面（或裸露地表）仅包含地形，通常被称为数字高程模型 (DEM)。

左侧的图像显示了使用山体阴影表示的第一次回波表面（或 DSM），右侧的图像显示的是裸露地表模型（或 DEM）。

DSM - 第一次回波激光雷达表面
DEM - 裸露地表激光雷达表面

确定需要创建的内容

在用激光雷达创建栅格之前，应对一些基本因素进行评估：

  • 激光雷达覆盖的范围
  • 激光雷达点的数量和点密度
  • 所需的输出栅格分辨率
  • 输出栅格的范围
  • 输出栅格的格式

考虑这些因素将有助于决定是生成一个栅格还是一组栅格。作为此过程的一部分，您需要算出一个栅格中要具有多少行和列。而这取决于在数据的分析、显示和可能的共享或分发方面所希望实现的效果。但是，仅生成一个数据集来进行分析可能不可行，因为可能会与数据集大小方面的实际限制相冲突。因此，另一个需要考虑的问题是您拥有的激光雷达数据量。如果试图以一个数据集来处理 100 亿个激光雷达点，尽管有可能，但使用起来会非常不便。在此情形下，最好是将如此大量的激光雷达数据制成多个栅格，同时也应考虑将激光雷达处理过程拆分开来。这不仅可使单个数据集的大小合理，同时还可缩短这些数据集的处理时间。处理过程的时间越长，便越有可能遇到某些意外（例如断电）。

如果已决定要分割数据，则接下来的问题是操作如何进行？是基于常规的格网系统、行政边界分割，还是基于预期的应用分割？由于激光雷达点集通常都有多种用途，所以按照常规的格网系统或行政边界（例如县边界）分割最有意义。这样便可在具体项目中根据所需镶嵌不同的部分。如果所需的用途与某种应用关系非常密切（例如水文），则可采用该应用的分割逻辑。例如，如果是作水文用途，则流域边界是很好的备选方案。

ArcGIS 可支持多种栅格格式，所以您可选择要写出的格式。最好基于产品用途来做出决定。如果该产品要与普通公众共享产品，则可考虑使用 TIFF 或 JPEG 格式来分发。对于使用 ArcGIS 平台的分析，则可考虑使用基于文件的地理数据库格式。

知道要生成的内容后，需要决定如何进行操作。有一点很关键，就是要确定出创建 DEM 或 DSM 时采用何种数据类型。

镶嵌、LAS 数据集或 terrain 数据集

ArcGIS 提供三种可处理基于点的激光雷达数据的数据类型。使用哪种数据类型，可参考以下内容：

  • 镶嵌数据集：可最为方便地按照栅格来处理 LAS 数据。如果只需要激光雷达点的栅格视图并且栅格化过程中不包括隔断线，则最好采用镶嵌数据集。
  • LAS 数据集：可直接根据 LAS 文件创建栅格，并在这个过程中使用隔断线。如果除激光雷达数据外还具有隔断线，但不需要地理数据库提供的高级数据管理工具，则推荐使用 LAS 数据集。
  • terrain 数据集：是面向地理数据库的解决方案。采用 terrain 数据集后，只需将所需内容从 LAS 文件（例如，裸露地表点 x,y,z）加载到地理数据库中。然后可将 LAS 文件离线存档。可以有选择地添加隔断线并创建派生出 DEM/DSM 的 terrain 数据集。如果不需要直接根据 LAS 创建栅格，或具有隔断线，或需要多用户编辑/版本管理（需要 SDE），或需要基于 z 容差的点过滤选项，则推荐使用 terrain 数据集。此外，如果激光雷达点数据是 ASCII 格式，则可使用 terrain 数据集。镶嵌数据集和 LAS 数据集仅支持 LAS。

使用镶嵌数据集

采用镶嵌数据集后，可方便地从 LAS 格式的点数据派生出 DEM 和 DSM。使用创建镶嵌数据集和添加栅格至镶嵌数据集工具定义镶嵌，并按照栅格添加 LAS 文件（或 LAS 文件的文件夹）。设置镶嵌的 LAS 转栅格类型属性，然后处理第一批回波点或归为裸露地表的点。

镶嵌在定义后即可视为地图中的图层，用作基于栅格的表面分析地理处理工具的输入，并且在影像服务中使用。

使用 LAS 数据集

LAS 数据集简单引用 LAS 文件集和定义表面特征的可选要素类，如隔断线。LAS 数据集存储为扩展名为 *.lasd 的文件。使用创建 LAS 数据集地理处理工具定义 LAS 数据集，然后通过将其添加到地图来创建图层。由 LAS 数据集图层属性 对话框中的过滤器选项卡定义点过滤器。过滤器属性的重要性在于可以控制处理 LAS 文件中的哪些点。由于创建 DEM 和 DSM 时并非考虑到所有点，因此必须使用过滤器。

使用图层，连同相应的过滤器属性集，作为 LAS 数据集转栅格工具的输入。大多数情况下，此工具的栅格化通过点的快速分组来完成。由于激光雷达相比较于其他采样技术比较密集，所以许多人相信分组已经足够了，不需要更耗时的插值方法。可以证明上述观点是正确的，特别是在使用采样相对一致的第一批回波时。裸露地面采样密度随地上要素（例如，植被和建筑物）的频率和密度而有所不同。此工具允许在空白处（无样本的像元）填充和插值，但不能过多；否则，可使用 terrain 数据集，这样得到的结果会更为理想。

“LAS 数据集转栅格”对话框

生成 DEM 时，使用 AVERAGE 像元分配类型最适合于裸露地表点。创建 DSM 时，MAXIMUM 选项最适合于使结果向较高的高程偏差。

使用 terrain 数据集

使用 terrain 的第一步是将激光雷达点加载到地理数据库中。要将激光雷达点加载到多点要素类中，应使用 LAS 转多点或 ASCII 3D 文件转要素类地理处理工具，具体则取决于激光雷达数据的源数据格式。如果要用激光雷达点来构建 terrain 数据集，则应将多点要素类放到要素数据集中。尽管可选择使用 LAS 或 ASCII 格式的文件，但LAS 是一个比较可以接受的二进制文件格式。LAS 文件包含的信息更多，而且由于采用二进制，所以导入程序可以更高效地读取。有关将激光雷达源测量值导入地理数据库的详细信息，请参阅 terrain 数据集的数据导入和加载工具。

如果要使用 terrain 数据集同时生成裸露地表和第一次回波表面，则可将激光雷达点载入到两个不同的多点要素类，其中一个要素类为地面点，另一个为地上点。定义裸露地表 terrain 时仅引用地面点。第一次回波 terrain 数据集则不仅可引用裸露地表 terrain 所用的地面点要素类，同时还可引用地上点。这意味着两个不同的 terrain 数据集可引用同一个要素类。

Terrain 数据集可以通过两种点细化过滤器中的一种进行构建金字塔操作：z 容差和窗口大小。如要生成 DEM，则使用两种金字塔类型均可。如果要对全分辨率点集进行栅格化，则可使用窗口大小过滤器来构建 terrain，因为这样速度会快很多。如果想要使用已细化的数据进行分析（如果激光雷达数据的采样超出了您的需求，此情况是很合理的），则可使用 z 容差过滤器。与窗口大小过滤器相比，尽管此过滤器需要更长的时间来构建 terrain 金字塔，但是采用这种过滤器仍然是最佳的选择，因为它可以为已细化的表示估计出垂直精度。如要生成 DSM，则应使用窗口大小过滤器，并应用 MAX 选项。

“Terrain 转栅格”对话框

使用 Terrain 转栅格工具来制作栅格化高程模型。于是，可选择插值、输出像元大小以及使用 terrain 数据集中的何种金字塔等级。

对于插值，自然邻域法选项是最佳选项。尽管速度不及线性插值，但其生成的结果通常更加美观精确。相对于激光雷达点采样密度设置输出像元大小。使用远小于平均点间距的像元大小并不会对精确性有任何帮助。另外，还应确保在适当的情况下为子集提取设置分析范围（如同使用环境进行设置）。因为可以对齐栅格输出，所以捕捉栅格也十分有用。

下面介绍了在 ArcGIS 中利用激光雷达点数据生成栅格 DEM 表面的主要步骤。

首先，应在您应用程序的目录窗口或 ArcCatalog 中创建 terrain 数据集，然后使用地理处理工具来将此 terrain 数据集转换为栅格 DEM。

1. 创建 terrain 数据集。

  1. 确定源数据和使用该数据构成 terrain 数据集的方式。

    有关表示 terrain 源数据的更多信息，请参阅呈现要素类中的 terrain 源数据和 terrain 数据集中支持的源数据类型。

  2. 在 ArcCatalog 或目录 窗口中创建文件地理数据库。右键单击要构建 terrain 的文件夹，指向新建，然后在快捷菜单上单击文件地理数据库。
  3. 创建要素数据集。右键单击文件地理数据库，指向新建，然后在快捷菜单上单击要素数据集。

    有关正确生成要素数据集的更多信息，请参阅创建要素数据集。

  4. 将源测量值导入要素类。这些要素类必须在步骤 3 中创建的要素数据集内生成。有关如何为 terrain 导入源数据的详细信息，请参阅导入 terrain 数据集源测量值。
  5. 在 ArcCatalog 中或目录 窗口中使用新建 Terrain 向导构建 terrain 数据集。

    要访问新建 Terrain 向导，右键单击要素数据集以显示菜单，指向新建，然后单击 Terrain。

    有关使用新建 Terrain 向导的详细信息，请参阅使用 Terrain 向导构建 terrain 数据集。

2. 使用“Terrain 转栅格”地理处理工具。

  1. 从 3D Analyst 工具展开转换工具集，然后展开由 Terrain 转出工具集。双击 Terrain 转栅格地理处理工具将其打开。
  2. 单击输入 Terrain 浏览按钮来添加 terrain 数据集。
  3. 单击输出栅格浏览按钮来指定要创建的栅格数据集的位置。
  4. 将可选输出数据类型参数设置为 32 位浮点型或 32 位整型。默认设置为浮点型。
  5. 将插值方法设置为 LINEAR 或 NATURAL_NEIGHBORS。

    这些方法是在三角化 terrain 表面上应用的基于 TIN 的插值方法。线性选项可找到包围每个像元中心的三角形，并会应用三角形的结点的加权平均值来执行插值计算。NATURAL_NEIGHBORS 选项使用像元中心的 Voronoi 邻域。

    在插值 terrain 表面时，可考虑自然邻域方法。虽然自然邻域插值的处理时间更长，但其生成的表面比使用线性插值生成的表面平滑得多。而且它更不容易受到三角测量微小变化的影响。

  6. 将采样距离设置为观测值或 CELLSIZE，来控制栅格的水平分辨率。在选定所需方法后，指定该选项旁的值。

    OBSERVATIONS 方法会根据此数据表示的设定值和在栅格表面最长的边缘上需要的像元数量来计算像元大小。可以使用 CELLSIZE 选项直接设置像元大小。

  7. 设置要使用的分辨率。分辨率参数表示用于转换的 terrain 数据集的金字塔等级。要以全分辨率输出栅格数据集，需将此参数设置为 0。金字塔等级使用 z 容差或窗口大小确定，这表示 terrain 数据集相对于全分辨率数据的近似分辨率。
  8. 请考虑使用环境设置来明确地控制要生成的 DEM 的范围。要提取 terrain 的子集，可在该地理处理工具对话框的底部单击环境按钮。单击常规设置选项卡并定义输出 DEM 的范围。

使用镶嵌数据集、LAS 数据集或 terrain 数据集，您可将数亿甚至是数十亿的激光雷达点处理成高分辨率的格网化 DEM 和 DSM。然后，这些表面模型便可供 ArcGIS 中大量的栅格工具进行分析。它们还非常适合于制作地图（请参阅下图），而且由于它们的数据结构简单，所以也便于共享。概述

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