基于Matlab的LAS格式数据解析与显示

地理空间信息GEOSPATIALINFORMATION2015年2月第13卷第1期Feb.,2015Vol.13,No.1doi:10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.收稿日期：2013-10-14。项目来源：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（CUGL130225）。基于Matlab的LAS格式数据解析与显示闻兆海1，谢 忠2（1.中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院，湖北武汉430074；2.中国地质大学（武汉）信息工程学院，湖北武汉430074）摘 要：机载激光雷达系统近年来得到了广泛的应用，为了数据交互的方便，ASPRS制定了LiDAR数据交换格式标准——LAS格式标准。对LAS1.4文件格式进行了详细的分析，基于Matlab平台，对LAS文件中的点数据记录进行完整读取，并进行三维显示，为后续数据处理提供完整的数据源。关键词：机载激光雷达；点数据；LAS；Matlab中图分类号：P225.1文献标志码：B文章编号：1672-4623（2015）01-0050-03017机载激光雷达测量系统由激光测量系统、惯性导航系统（IMU）、GPS定位系统等组成。通过连续发射激光脉冲，实时接收地面及地表物体反射的激光脉冲，快速获取地面及地表物体的位置及高程信息。机载激光雷达测量技术是一种主动式测量技术，受天气、地形等条件影响小，使用方便、快捷，应用广泛。机载激光雷达测量系统产生的数据是离散的三维点数据，称为“点云”数据。随着测量精度的提高，机载激光雷达测量系统产生的数据量也大幅增加。目前，每m2的测量点数约为5～6个，测量1km2的目标区域，产生的点云数据约有500万个。点云数据的存储格式有2种：一种是txt格式，存储离散点的三维坐标数据，也可以附加反射强度数据；另一种是LAS格式，既可存储离散点的三维坐标、反射强度数据，也可记录数据采集的信息、点的分类信息、GPS时间及颜色信息等[1-3]。1 LAS格式介绍LAS文件格式由ASPRS制定。ASPRS制定LAS文件格式的目的是为LIDAR数据的提供者和不同的应用开发者提供一套标准的数据交换格式，解决不同厂商及应用者之间的数据兼容问题，从而推动机载激光雷达测量技术的发展。LAS格式最早的版本是2003年5月的Version1.0，其后，ASPRS于2005年3月推出Version1.1，2008年推出Version1.2，2010年推出Version1.3，2013年7月推出Version1.4-R13。LAS标准1.4-R13版全面兼容LAS1.0-LAS1.3各个版本，也作了较大的修订，具体集中在以下几个方面[4-8]：1）文件结构从32位转换为64位。同时，也兼容32位点数据，最多支持232-1个旧格式数据点。2）脉冲返回点序号和个数记录从5个增至15个。3）点分类的类型由32种增加到256种，增加了铁路、路面、桥梁以及各种线型，也预留用户自定义类型。4）采用WKT坐标系转换机制，代替先前版本的GeoTIFF栅格坐标机制。点数据格式0～5可以采用GeoTIFF格式，也可以采用WKT格式；点数据格式6～10只能使用WKT格式。LAS文件是一个二进制文件，版本1.0-1.2由3部分组成：公共头域、变长记录域和点数据域，如图1a所示。在LAS1.3中，增加了波形数据包记录域（WaveformDataPacketRecord），该记录域可以紧跟点云数据域后面，称为“扩展变长记录域（ExtendedVariableLengthRecord）”，也可以单独位于一个辅助文件内。在LAS1.4中，进一步扩充了扩展变长记录域的功能，结构如图1b所示。公共头变长记录域点数据域公共头变长记录域点数据域扩展变长记录域aLAS1.0-1.2bLAS1.3-1.4图1 LAS文件结构1.1 公共头域LAS1.0公共头域记录了LAS文件的基本信息，如图2a所示。在LAS1.3中，公共头域增加了“波形数据包记录起始（StartofWaveformDataPacketRecord）”字段，用来指明波形数据记录的位置。为了兼容前面的版本数据，增加了“老格式点数据数目”和“不同·51·第13卷第1期回波的老格式点数目”字段；为了支持多个扩展变长记录域，增加了“第一个扩展变长记录起始”和“扩展变长记录数目”字段，如图2b所示。文件标识（“LASF”）保留字节GUID数据版本信息系统标识飞行时间头部大小数据偏移变长记录域数目点数据格式、长度、数目、不同回波点数目X、Y、Z刻度因子X、Y、Z偏移值X、Y、Z最大、最小值文件标识（“LASF”）文件ID全球编码GUID数据版本信息系统标识文件创建时间头部大小数据偏移变长记录域数目点数据格式、长度老格式点数据数目、不同回波点数目X、Y、Z刻度因子X、Y、Z偏移值X、Y、Z最大、最小值波形数据包记录起始扩展变长记录起始、数目点数据数目、不同回波点数目aLAS1.0bLAS1.4图2 公共头域格式1.2 变长记录域变长记录域紧随公共头域，一个LAS文件可包含多个变长记录域，数目由公共头域中“变长记录域数目”字段指定。每个变长记录域有一个头部域，大小为54字节，LAS1.4和前面版本结构一致。1.3 点云数据记录格式在LAS1.0中，定义了点数据格式0，其核心字段长度为20字节，如图3a所示，数据格式0～5都是以它为基础定义的。LAS1.4新增加了5种数据格式，分别为格式6～10，其中数据格式6为基础格式，核心字段长度为30字节，如图3b所示。主要的改进有：①每个激光点的回波数记录从5个增加到15个；②分类信息字段扩展到一个字节，支持最多256种类别信息；③GPS时间记录为必备字段。X、Y、Z回波反射强度回波点序号回波点个数扫描方向标识飞行线路边缘标识点分类扫描角范围文件标记用户比特域X、Y、Z回波反射强度回波点序号回波点个数分类标识扫描通道扫描方向标识飞行线路边缘标识点分类用户数据扫描角范围点源IDGPS时间aLAS1.0点格式0bLAS1.4点格式6图3 点数据记录格式2 LAS格式数据读取与显示2.1 LAS格式数据读取根据前面对LAS文件格式的解析，本文基于Matlab7.10.0（R2010a）对该格式文件进行读取。数据源来自于ISPRS的WGIII/4工作组，目标区域位于德国的Vaihingen地区，数据记录总共有3582656条，采集于2008年。LAS文件是二进制文件，调用fread函数按字节进行读取。由于LAS文件中，公共头域、变长记录域头部以及点数据长度格式是固定的，根据文件指针，可以依次读出各部分内容，如图4所示。读取的点数据信息如表1所示，其中，字段1～4分别为X、Y、Z记录值以及回波反射强度，字段5为回波点序号、扫描方向以及飞行线路边缘标识字段，长度为1个字节，字段6为分类信息。开始读取公共头域读取变长记录域根据偏移值确定点数据的起始位置读取一个点记录是否读完数据点结束移动文件指针指向下一个数据点是否图4 数据读取流程表1 部分点数据信息序号字段12345678914754480284470579507591248012324754480284910579601029124801233475448028536057940102912480123447544902858105787010291248012354754490286240578809891248012364754490286680579101119124801237475450028713057870101912480123847545002875805781092912480123947545002880105781010091248012310475451028846057780879124801232.2 LAS格式点数据显示从LAS文件中读取的点数据坐标值为记录值，要闻兆海等：基于Matlab的LAS格式数据解析与显示地理空间信息·52·第13卷第1期得到三维坐标值，需要对记录值进行转换：Xcoordinate=（Xrecord×Xscale）+XoffsetYcoordinate=（Yrecord×Yscale）+YoffsetZcoordinate=（Zrecord×Zscale）+Zoffset式中，Xrecord、Yrecord、Zrecord为点云数据的记录值；Xscale、Yscale、Zscale为刻度因子；Xoffset、Yoffset、Zoffset为偏移值。经过数据转换后，得到的坐标值与公共头域中所标识的X、Y、Z范围一致。选取其中的500000个点数据对应的目标区域，调用MATLAB中的三维离散点显示函数scatter3对点数据进行显示，得到的三维效果图如图5所示。图6为同一目标区域点数据在ArcScene环境下的三维效果图。该目标区域包含建筑物、河流、桥梁、道路、草地、树木等典型地物，高程在247.55～289.7之间。与ArcScene环境下的三维效果图相比，两者一致，但是，图5提供了更完备的点数据属性信息。图5 Matlab环境下点云数据三维效果图图6 ArcScene环境下点云数据三维效果图3 结 语本文对最新的LAS文件标准——LAS1.4格式进行详细的解析，指出了其与LAS1.0版本相比，在文件结构、公共头域格式、点数据记录格式等方面的改进。在Matlab环境中，采用文件函数fread读取了LAS文件中完整的目标区域点数据记录，并用三维离散点显示函数scatter3对点数据进行三维显示。文中采用的数据解析方法，可以完整地得到目标区域的点数据记录，如反射强度、回波次数、扫描方向、扫描角度、分类信息、边缘点信息、标识点信息等，有利于后续的点云数据处理，也为相关研究提供了数据格式支持。参考文献[1]张靖,高伟.LAS格式解析及其扩展域的应用[J].测绘科学,2008,33(3):154-155[2]刘春,姚银银,吴杭彬.机载激光扫描（LiDAR）标准数据格式（LAS）的分析与数据提取[J].遥感信息,2009(4):38-42[3]赵自明,史兵,田喜平,等.LAS格式解析及其数据的读取与显示[J].测绘技术装备,2010,12(3):17-20[4]ASPRS.ASPRSLiDARDataExchangeFormatStandardVersion1.0[EB/OL].[5]ASPRS.LASSpecificationVersion1.1[EB/OL].[6]ASPRS.LASSpecificationVersion1.2[EB/OL].[7]ASPRS.LASSpecificationVersion1.3-R11[EB/OL].[8]ASPRS.LASSpecificationVersion1.4-R13[EB/OL].第一作者简介：闻兆海，讲师，研究方向为机载激光雷达数据处理、遥感图像处理、GIS。