【ENVI入门系列】26. ENVI LiDAR激光雷达数据可视化与分析
版权声明：本教程涉及到的数据仅供练习使用，禁止用于商业用途。
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1. 概述
众所周知，LiDAR数据能够提供重要的三维信息，并已应用于多个领域，如林业、国防、城市管理、电力等，发挥了其独特的价值。2011年10月，EXELIS VIS公司（ENVI/IDL原产商）发布了新产品E3De（The Environment for 3D Exploitation，现已更名为ENVI LiDAR），高级的LiDAR数据浏览、处理和分析工具，能快速准确的从LiDAR数据中提取三维信息，提取出的信息可在其他平台下（如ENVI、ArcGIS）进行进一步的使用和分析。ENVI LiDAR 5.1于2013年12月份正式发布，新版本的ENVI LiDAR采用全新的用户界面，提供二次开发接口，支持与ArcMAP的链接，支持64位操作系统。
ENVI LiDAR能读取原始的LAS数据、NITF LAS数据、ASCII文件和LAZ文件等，浏览现实场景，进行特征提取，可获取地形（DSM、DEM）、树木、建筑物、电力线和电线杆，提供功能菜单将结果导入ENVI平台或者把shp文件导入GIS平台下进一步使用和分析，应用领域包括森林调查评估、城市扩建制图、地形可视化和电力线勘察决策等。
本课程将学习ENVI LiDAR的以下操作内容：
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数据读取与浏览，工程的新建与管理；
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工具栏图标功能的使用，如测距、视域分析、彩色显示等；
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点云数据分类与信息提取，包括提取树木、建筑物等地物，DSM、DEM等产品的生成；
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手动编辑功能，在QA（Quality Assurance）模式下可进行提取结果的编辑工作，如修改建筑物轮廓、修改树高和半径等；
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提取结果在ENVI中的浏览与应用；
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3D Viewer功能，进行三维效果展示、飞行等。
示例数据位于"…\ Program Files\Exelis\ENVILiDAR51\DataSample"。
注：本课程需要LiDAR数据处理和分析模块（ENVI LiDAR）使用许可。
2.数据读取与浏览
（1）启动ENVI LiDAR，选择菜单File > Open，打开文件"…\Program Files\Exelis\ENVILiDAR51\DataSample \DataSample.las"；
（2）在弹出的Convert Format面板中设置LAS数据的投影坐标系，如下图所示。选择坐标系统为UTM，基准面为WGS84，单位为Meters，UTM Zone设置为33N，点击OK即可。
注：ENVI LiDAR会自动在输入数据同路径下，新建一个与文件名同名的文件夹（DataSample），并在此文件夹中新建一个同名的.ini文件，即ENVI LiDAR工程文件。因此建议将DataSample.las文件拷贝到一个指定的文件夹内。
图2.1 Convert Format面板
（3）数据自动加载到ENVI LiDAR中，ENVI LiDAR主界面及布局如下图所示；
图2.2 ENVI LiDAR主界面
（4）主要交互功能介绍：
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在图层管理器中，可显示或取消显示某图层；
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可在鹰眼图中使用鼠标左键框选主视窗要显示的点云范围；
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在日志与消息输出台可以看到ENVI LiDAR在进行的处理、消耗时间、状态等信息；
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在主视图可以使用鼠标左键实现旋转；左键与右键同时按下可以实现平移；滚轮可以实现视图缩放。
3.工程新建与管理
当我们需要进行一个新的处理时，可以新建工程，这样避免了覆盖旧工程结果，同时可以重新选定工程区域。
（1）之前在ENVI LiDAR中已经新建并打开了DataSample工程，这里我们选择菜单File > New from Current Project…，在弹出的Select Rectangle面板中可以选定工程区域，如图所示，然后点击OK即可；
注：如果ENVI LiDAR中未打开任何工程，可以选择菜单File > New Project新建工程。
图3.1 Select Rectangle面板
（2）在弹出的另存为对话框中，选择工程保存路径及工程名，这里设置为"MyProject"，点击OK，自动在"数据"文件夹中新建了"MyProject"。
注1：如果以后想使用此工程，可以选择菜单File > Open，打开"…/MyProject/MyProject.ini"文件即可。
注2：如果想删除此工程，可直接删除"MyProject"文件夹即可，不会影响其他工程和原始LAS文件的正常使用。
4.常用工具栏的使用
4.1测距工具
点击工具栏中的
图标，然后使用鼠标左键在视图中单击选中起点，移动鼠标再次单击选中终点，会自动显示测距结果。如下图所示，测量了两棵树木之间的距离，水平距离为42.355m，垂直距离为6.880m，直线距离为42.910m。
注：在测距结果上右键单击，在弹出的菜单中选择Delete Annotation即可删除结果。
利用此方法可以方便快捷的测量树木高度、房屋高度、道路宽度等。
图4.1测距结果
4.2高度密度分割
点击工具栏中的
图标可以实现高度密度分割，即根据点云的Z值使用不同的颜色进行渲染。默认使用Rainbow颜色表，可以点击图标
进行颜色表的自定义。如下图所示。
图4.2高度密度分割
4.3视域分析
点击工具栏
按钮可以实现视域分析。在弹出的对话框中提示了操作方法以及如何输出分析结果，点击OK，下面介绍操作步骤：
（1）按住Ctrl键，在主视窗中点击鼠标左键添加观察点。在弹出的Add Observer Point面板中，可以修改观察点的名字、半径、高度（可以理解为人的身高）、颜色等信息，可以修改可视范围颜色，这里按照默认即可，如下图所示，绿色区域即可视区域；
注1：勾选Directional多选框，然后点击Observer Direction按钮，在弹出的对话框中可以实现特定方向的视域分析，包括水平角度和垂直角度。
注2：在观察点上右键可进行观察点的编辑、移动、删除和管理操作。或者在其他区域双击鼠标左键，选择新建观测点（New Observer Point）或者打开观测点管理面板（Manage Observer Points）。
图4.3视域分析结果
（2）保存输出结果，选择菜单File > Export > Viewshed Analysis Raster…可以保存栅格结果，默认路径为"…\MyProject\Products\viewshedRaster.tif"。在ENVI中打开，利用Raster Colors Slices进行密度分割，并叠加bitmap.tif正射底图显示效果如下图所示。
图4.4 视域分析输出栅格结果
（3）再次点击工具栏
按钮，关闭视域分析功能。
4.4根据高度过滤点云
（1）点击工具栏
按钮实现根据高度过滤点云数据。
（2）如下图所示，在弹出的Filter Points By Height面板中，勾选Filter points，通过滑块或文本框设置最小和最大高度，点击OK即可。
（3）如图设置最小高度为334.00，最大高度为344.00，效果如图所示。
（4）去掉勾选Filter points，显示所有点云数据。
图4.5根据高度过滤点云
5.点云数据分类与信息提取
ENVI LiDAR通过自动特征识别工具或手动编辑，可以对整个点云场景进行特征识别，也可以定义一个子集场景，还可以同时对多个LAS文件进行处理，短时间内即可获得准确的信息。
ENVI LiDAR可进行建筑物轮廓提取与三维模型的构建、森林资源调查、完整的通行权分析、电力线和电线杆位置决策等。提取出的特征可应用于不同的行业，如植物生长是否会对电力线造成阻碍，国防上的视域分析，以及自然资源管理中的森林资源清查等。
ENVI LiDAR可高效、自动地从LiDAR数据中提取如下信息：
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点云分类
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DSM（栅格和TIN）
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DEM
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地面等高线
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建筑物顶部矢量
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建筑物轮廓矢量
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电力线矢量
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电线杆（X、Y、Z、H、R）
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电力线的连接点（X、Y、Z）
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树木（X、Y、Z、H、R）
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点密度和覆盖率分析
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桥梁
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其他特征
此节内容的功能主要集中在主菜单Process下，下面介绍详细操作步骤：
（1）获取密度图。选择菜单Process > Generate Density Map，在弹出的Select Format面板按照默认选择GeoTIFF即可，点击OK，密度图自动保存在工程文件夹中（点云文件所在目录中）。
注：在使用ENVI LiDAR进行数据处理前，建议使用此功能生成密度图，可以检查点的密度情况，如图所示，当前鼠标位置的点密度为11.7points/m2，即每平米有11.7个点数据。图中颜色越红的地方点密度越大，蓝色区域点密度较小。点云密度越高，地物分类的结果越精确。ENVI LiDAR能够在点密度为1~2 points/m2时提取建筑物和树木信息，当然也会存在一些误判。当点密度能够达到5~6 points/m2时，可以获取较好的建筑物和树木信息。
图5.1 Show Density Map面板
（2）选择菜单Process > Process Data，在弹出的Project Properties面板中可以设置工程属性，包括输出产品、工程区域、产品参数等信息；
（3）在Outputs选项卡，按照下图进行设置，输出了正射图像、DSM、DEM、Building、Trees等信息，在每个产品的后边用户可以设置文件名和格式，这里全部按照默认即可。
注：在下方的Products Folder中可以设置输出的文件夹名称，默认路径与工程相同。在下方右侧的Parameters Templates可以保存参数设置为一个模板，可用于其他工程。
注：如果想使用3D Viewer，需要勾选"Produce 3D Viewer Database"。
图5.2 Project Properties面板中的Outputs选项卡
（4）切换到Area Definition选项卡，在左侧可以根据需要绘制要处理的区域。这里我们只手绘一个区域进行处理，建议选择建筑物和树木较多的区域，如图所示。
注：此选项卡右侧有导航与缩放按键；右侧中间显示了当前区域的X/Y范围以及区域大小；可以点击Entire Area按钮选中全图；在Center Line for QA中可以加载矢量文件用于QA模式；在Layers可以加载其他图像，如DEM、正射图像等，用于帮助选择处理区域。
图5.3 Project Properties面板中的Area Definition选项卡
（5）切换到Production Parameters选项卡，可以设置输出产品的具体参数（可参考ENVI LiDAR帮助），可以设置要使用的CPU核数，这里全部按照默认设置即可。
图5.4 Project Properties面板中的Production Parameters选项卡
（6）点击Start Processing按钮开始处理，在鹰眼图、状态栏均可看到处理进度，如下图所示为鹰眼图的进度情况，白色矩形为已经处理完毕的区域，品红色为当前处理区域，黑色为未处理区域。
图5.5 鹰眼图处理进度显示
（7）处理结束后，弹出如下面板。提示用户已经处理完毕，点击OK会自动进入QA模式。这里点击OK，进入QA模式。
注：可通过File > Preferences 设置是否在处理结束后自动进入QA模式。
图5.6处理完毕提示
（8）此时已经将所选产品输出到"Products"文件夹内，可以在ENVI中浏览和使用，如图所示。
注：图中底图为DEM，红色为建筑物，黄色为树木，绿色为电力线。除此之外，还有DSM、正射图像、建筑物轮廓等产品。
图5.7 ENVI LiDAR生成的产品结果
6.Quality Assurance模式
可以在工具栏点击按钮
来打开或退出QA模式。在QA模式下，ENVI LiDAR提供了操作简便的编辑功能，只需按一下特定的数据点，便可以修改其属性。可用平滑，修改误分类或调整个别结果的方法来对DEM进行修正，如：建筑物的形状，树木的数量，和电线杆和电源线的位置。
ENVI LiDAR提供了以下编辑功能：
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点云类型的修改
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DEM编辑
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电力线和电线杆编辑
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建筑物编辑
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树木参数编辑
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手动矢量编辑
下面以两个操作为例，介绍手动编辑功能，分别为添加电力线和修改树木属性。
6.1添加电力线
在图层管理中，将Vectors中的Power Lines打开，其他层关闭。定位到如下图位置，图内品红色的矢量即为ENVI LiDAR自动生成的电力线，可以看出在两个红色箭头指定位置应该是有电力线的，但是可能由于点云密度和质量问题导致没能自动提取，下面介绍如何手动添加电力线。
图6.1电力线信息
（1）首先将主视图中的电力线调整到如下图所示位置，然后点击工具栏中的第7个图标"Select Cross Section"，鼠标左键单击主视窗A点位置，再单击B点位置，然后向右移动鼠标较小距离，点击左键，从而形成如下图所示的一个矩形框，并弹出Cross Section面板，图中品红色线条即自动提取的电力线。
图6.2Cross Section面板
（2）在Cross Section面板中，鼠标左键双击如图位置，在弹出菜单中选择New Power Line…；
图6.3新建Power Line
（3）自动在鼠标点击位置生成一个电力线，如下图所示。
图6.4新建的Power Line
（4）新建的PowerLine中三个方块是可以使用鼠标拖动的，按照电力线真实位置，将三个方块拖到正确位置，如下图所示。
图6.5 调整到正确位置的Power Line
（5）在Cross Section面板中，右键单击修改好的Power Line，在弹出菜单中选择Save Correction即可保存修改结果。按照同样的方法，在下方位置新建另一条电力线，结果如下图所示。
图6.6 Power Line添加结果
（6）点击工具栏中的
图标（或选择菜单View > Run 3D Viewer…），启动3D浏览器，查看新添加的电力线，效果如下图所示。
注：后续章节会详细介绍3D Viewer中的操作方法。
图6.7 3D Viewer中检查新添加的电力线
6.2修改树木属性
（1）在图层管理中，勾选Vectors > Trees，以便我们对树木进行编辑。在目标树木上面双击鼠标左键，在弹出的菜单中选择New Correction…；
图6.8目标树木上双击鼠标左键
（2）在弹出的Correction Item对话框中，选择Tree – Edit，在下方的Radius和Height中调整半径和高度（米），在主视窗中可预览修改效果（如下图）。完成后点击OK即可。
注：采用此种方法进行编辑时，对于不同类别有不同的编辑模式，比如DEM有四种，Building有两种，Tree有三种，Power Pole和Power Line各两种，具体含义和功能可参考ENVI LiDAR帮助系统。
图6.9修改树木半径和高度
7.3D Viewer操作
点击工具栏中的
图标（或选择菜单View > Run 3D Viewer…），可以启动3D浏览器。下面通过3个方面学习3D Viewer的操作。
在3D Viewer中，与主视图的鼠标交互功能一致。可以使用鼠标左键实现旋转；左键与右键同时按下可以实现平移；滚轮可以实现视图缩放。
注：在进行浏览时会弹出如下对话框信息，属正常现象，可以选择菜单ScreenMode > Full Screen实现全屏浏览，可以屏蔽此对话框的弹出。
图 3D Viewer中的信息提示
7.1位置保存与快速定位
导航功能主要包含位置保存与使用、根据地理坐标快速跳转以及记录和播放路线功能。
（1）位置保存
将视图移动到感兴趣区域，选择菜单Navigate > Save Position…，在弹出的对话框中设置位置名，点击OK。可以选择一些列的感兴趣区域，然后点击菜单Navigate > Display Position…，在弹出的对话框中可以点击列表实现快速跳转保存的视图范围。
图7.2位置保存功能
（2）快速定位
在3D Viewer面板中，选择菜单Navigate > Jump to Location…，在弹出的面板中输入需要定位的地理坐标点击OK即可，如下图所示。
注：同样可以选中根据经纬度进行定位
图7.3快速定位功能面板
7.2 3D飞行模式
ENVI LiDAR 3D Viewer提供了快捷导航键，可以方便实现3D飞行。如果对快捷键设置不太熟悉，可以选择菜单Help > On Screen Viewer Controls（或使用F1快捷键），将帮助内容显示在屏幕上，如下图所示。
图7.4快捷键帮助内容
飞行时使用鼠标控制视图移动方向。下面详细介绍飞行时用到的快捷键：
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a：向前移动。再次按下a可以加快向前移动速度，按下z可以减速；
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z：向后移动。再次按下z可以加快向后移动速度，按下a可以减速；
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鼠标右键：停止移动。
其他导航操作方法如下：
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旋转：按下鼠标左键不放，然后进行拖拽即可。
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缩放：按下鼠标右键不放，然后上下移动鼠标即可，向下为缩小，向上为放大；q快捷键可以控制缩放幅度。或者使用滚轮进行缩放。同时也可以使用数字键盘中的 / 和 * 进行较小幅度的缩放。
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平移：同时按下鼠标左右键不放，然后进行拖拽即可。
我们可以录制飞行线路，操作步骤如下：
（1）选择菜单Navigate > Record Route；
（2）使用上述快捷键进行飞行；
（3）选择菜单Navigate > Stop，录制完成；
（4）选择菜单Navigate > Play Route，可以播放录制结果。
7.3显示控制和图层开关
我们可以使用一些快捷键来控制显示风格、渲染方法等。如下所示：
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r：显示当前鼠标和摄像机位置信息；
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b：双线性滤波开关。打开后地形较为平滑，关闭后显示为马赛克样式（如下图所示）；
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f：薄雾开关。主要作用于天空颜色；
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m：地形噪音的开关；
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[ ：增加时间，控制太阳光照；
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] ：减少时间，控制太阳光照；
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Ctrl+C：截图并保存为.bmp文件，路径为工程下的3DViewer文件夹。
图7.5关闭双线性滤波（左），打开滤波（右）
下面是一些图层显示开关的快捷键：
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0：地形
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1：建筑物
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5：树木（如果显卡较老，可能树木显示不出来）
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9：电力线以及其他矢量
7.4加载矢量图层
在3D Viewer中，我们可以加载已有的矢量图层，这里以提取的建筑物为例（Building.shp），介绍操作方法：
（1）选择菜单File > Load Shape File；
（2）在弹出的面板中选择"...\Products\building.shp"，点击OK；
（3）自动将矢量叠加在视图中，如下图所示。可以使用快捷键9控制矢量显示与否。
图7.6 加载的Shapefile显示效果
7.5添加注记
可以在3D Viewer中为感兴趣区域添加文字注记。添加结果会同时显示在3D Viewer和ENVI LiDAR主视图中。下面介绍操作方法：
（1）按住Ctrl键，鼠标左键双击感兴趣位置；
（2）在弹出的Add Text Annotation面板中输入注记文字（如图所示），点击OK；
注：暂时不支持中文标注，点击Color按钮可以进行背景颜色设置。
图7.7 Add Text Annotation面板
（3）查看标注添加结果，如下图所示。
图7.8 标注结果
（4）对于标注结果可以进行修改和删除的操作。在3D Viewer面板中，使用鼠标左键双击标注的文字，在弹出的Edit Annotation面板中，可以修改文字、背景颜色、删除操作。如下图所示。
图7.9 Edit Annotation面板
7.6测距功能
此功能与ENVI LiDAR主界面中的测距功能类似，下面介绍操作方法：
（1）选择菜单Edit > Measurement Tool；
（2）鼠标左键单击选择起点；
（3）鼠标左键单击选择终点；
（4）弹出的对话框中显示了三个距离结果，如下图所示，分别为：
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XY：水平距离
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Z：垂直距离
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Slant：直线距离
图7.10测距结果
注：测距完成后会自动添加注记，可以双击文字进行编辑、删除等操作。
8.输出结果到Google Earth
如果电脑上安装了Google Earth，我们可以将结果输出到Google Earth中。方法如下：
（1）退出QA模式；
（2）选择菜单File > Export > Google Earth...，在弹出的Select Format面板中按照默认.kml格式，点击OK；
（3）完成后会弹出提示消息。默认输出路径为"…\MyProject\ExportKML\MyProject.kml"；
（4）双击打开MyProject.kml文件，Google Earth会自动定位到目标位置，如下图所示。
图8.1 输出结果到Google Earth
教程与视频下载：https://pan.baidu.com/s/12qQVSPDN0U-FBzTqobXeJQ
