機載LiDAR航帶設計問題探討

繆志修 黃華平 林國慶 劉建軍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 概述

機載激光雷達航帶的設計與傳統(tǒng)的航空攝影測量航帶設計有一定相似之處，同時又有差別。機載激光雷達航帶設計不僅要考慮相機參數(shù)的設置，同時還要考慮激光器相關(guān)參數(shù)的設置。

航帶設計是進行航空攝影測量的關(guān)鍵工作，對于獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量及航飛安全起到十分重要的作用。航帶設計主要是依據(jù)航空攝影技術(shù)規(guī)范以及航攝任務書的要求，首先根據(jù)航飛區(qū)域面積的大小及走向，劃分為若干個飛行分區(qū)，然后完成每個分區(qū)的航帶設計。進行航帶劃分的主要原因有以下幾個方面。

(1)如果航飛區(qū)域過大，則航區(qū)內(nèi)相對高差也就會越大，由于激光發(fā)射脈沖頻率和接收高度之間存在一定的關(guān)系，當高度超過一定的距離時，激光接收器無法接收到回波信號，最終導致的結(jié)果是在航攝區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)數(shù)據(jù)漏洞。

(2)根據(jù)航空攝影測量要求，進行飛行區(qū)域的劃分更有利于保持航線的直線性［3］。

(3)飛機保持航線直線性飛行的時間越長，IMU積累的誤差也會變得越大，一般來說，每條航線的直線飛行距離時間不超過30 min［2］。

2 激光發(fā)射器參數(shù)設定

劃分好各個分區(qū)后，就需要對每個分區(qū)進行航線設計，在進行航線設計時需要考慮測區(qū)的基準面高程、最低點高程、最高點高程、激光點密度、最小重疊度，以及飛機安全高度下的前方和側(cè)方安全距離等。

2.1 航測分區(qū)的基準面高程

航測分區(qū)的基準面高程直接影響到飛機的最低飛行高度。航測分區(qū)的基準面高度H基是由航測分區(qū)內(nèi)高點的平均值H高和航測分區(qū)內(nèi)低點的平均值H低來計算的［3］

通常在計算H高時應至少取測區(qū)內(nèi)的10個高點高程的平均值，而H低也至少取測區(qū)內(nèi)的10個低點高程的平均值。

2.2 掃描帶寬

掃描帶寬是指系統(tǒng)掃描時形成的帶狀掃描區(qū)域?qū)挾?。如圖1所示，θ為系統(tǒng)掃描角，H為飛行高度，則

圖1 掃描帶寬

2.3 每條掃描線上的激光點數(shù)

每條掃描線的激光點數(shù)LN是由脈沖發(fā)射頻率F和掃描頻率f這兩個參數(shù)決定的，和飛機飛行高度，飛行速度等無關(guān)［1］。

式中F為脈沖發(fā)射頻率，f為掃描頻率。

2.4 航向激光點間距(down track)

航向激光點間距Ddown是指沿著飛行方向掃描點之間的距離，對于Z字形掃描，其計算是通過沿著飛行方向的距離和沿著飛行方向的激光點數(shù)的比值來實現(xiàn)的。計算公式為

其中，f為掃描頻率，v為飛機飛行速度，t為飛行時間;從上式可以看出航向激光點間距只和飛行速度和掃描頻率有關(guān)，和其他參數(shù)無關(guān)。

2.5 旁向激光點間距(cross track)

旁向激光點間距Dacross為一條掃描線上相鄰激光腳點間距。對于Z字形掃描，掃描帶寬SW與每一條掃描線上的激光腳點個數(shù)LN的比值為

式中，SW為掃描帶寬，f為掃描頻率，F(xiàn)為激光脈沖發(fā)射頻率，H為飛行高度，θ為掃描角。旁向激光點間距和掃描角、飛行高度、掃描頻率、脈沖發(fā)射頻率這四個參數(shù)有關(guān)。

2.6 考慮重疊度的激光點云密度

在實際攝影測量中，激光腳點的密度通常是由航攝用戶單位提出的。在設計航線時需要根據(jù)用戶提出的激光腳點密度來設置其他相應的作業(yè)參數(shù)，激光腳點的密度直接影響到脈沖發(fā)射頻率的選擇。如果想獲取高密度激光腳點，就需要提高激光脈沖頻率。而提高了激光脈沖發(fā)射頻率，就需要相應的降低飛機飛行的高度，這樣就會增加航飛的成本。因為飛機飛行高度的降低會導致在相同時間內(nèi)，以同樣掃描角進行掃描，所掃描的區(qū)域面積會減少。

激光腳點密度den為掃描的全部點數(shù)N除以實際測量面積S

在計算實際測量面積時應注意的是:由于航帶設計時是有一定的重疊度的，因此在算實際測量面積時應該去除重疊航帶的面積。具體計算公式如下［1］

其中，SW為掃描帶寬。n為設計的航線個數(shù)，q為航帶重疊度。

全部激光點數(shù)N為激光脈沖頻率F乘于測區(qū)飛行時間，即

2.7 不考慮重疊度的激光點云密度

其中，F(xiàn)為脈沖發(fā)射頻率，V為飛行速度，H為飛行高度，θ為掃描角，Ddown為航向點間距，Dacross為旁向點間距。

可以看出影響激光點密度因素:高度、脈沖頻率、掃描角、飛行速度。

在飛行高度一定，以及激光點密度一定的情況下，影響飛行成本的主要因素有:飛行速度、掃描角以及重疊度。其中掃描角和重疊度主要影響設計的航線數(shù)量，航線數(shù)少，飛行時間少，成本低。在飛行速度和掃描角之間，為了使成本最低，一般是降低飛行速度，增加掃描角。同時，為了能夠保證數(shù)碼相機影像重疊度能夠和點云覆蓋面積匹配。一般情況下激光旁向重疊度30%(保證相片旁向能夠重疊)，最小的激光點云的旁向重疊度應該大于15%。同時在航帶設計時要考慮飛機的側(cè)方與前方的安全距離。

在實際航跡設計時，在滿足航飛條件的前提下，應該綜合考慮掃描角、掃描頻率、飛行速度、飛行高度、使用單脈沖還是多脈沖等綜合因素，使得航飛成本最低。

3 相機參數(shù)設定

設定好激光發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)之后，就需要對相機的參數(shù)進行設定，下面以DiMAC相機為例，進行相關(guān)的參數(shù)設定。

DiMAC相機參數(shù)設定:CCD像素大小為8 984μm×6 732μm，像素大小為6μm，鏡頭焦距為70 mm。則CCD面積為53.9 mm×40.4 mm。

需要注意的是每個相機都有自己最小曝光時間的設定，如DiMAC相機的最短曝光時間是不低于3 s。

4 實驗與分析

本次實驗數(shù)據(jù)為重慶市某縣，該測區(qū)以山地為主，測區(qū)內(nèi)山大坡陡，最大高差可以達到1 800m左右。該測區(qū)為帶狀的南北走向，測區(qū)內(nèi)地形起伏較大。按照測區(qū)分區(qū)的原則，劃分成5個分區(qū)。表1為該測區(qū)其中一個分區(qū)的參數(shù)設置。

表1 航帶設計參數(shù)

具體航線設計以及飛行結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 航帶設計示意

圖3 實際飛行結(jié)果

5 結(jié)束語

對激光激光雷達航帶設計中激光設備器和相機參數(shù)設置以及各參數(shù)之間的相互關(guān)系進行了分析，對優(yōu)化航帶設計具有一定的參考價值。通過實際項目的測試，驗證了設計的可行性。在實際航跡設計時，在滿足航飛條件的前提下，應該綜合考慮掃描角、掃描頻率、飛行速度、飛行高度、使用單脈沖還是多脈沖等綜合因素，使得航飛成本最低。

［1］賴旭東．機載激光雷達基礎原理與應用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010

［2］GB 19294—2003 航空攝影技術(shù)設計規(guī)范［S］

［3］王東亮，萬幼川．基于DEM的機載LiDAR航線設計［J］．測繪科學，2011，36(1):117-118