基于DEM的山區(qū)機(jī)載LIDAR航線設(shè)計(jì)

童 鵬 簡(jiǎn) 驍 趙英俊 伊丕源

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

機(jī)載激光雷達(dá)航線設(shè)計(jì)是根據(jù)航攝任務(wù)書(shū)的內(nèi)容和要求，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)和飛行器參數(shù)，將目標(biāo)區(qū)域劃分為一定數(shù)量的區(qū)塊，完成每一個(gè)區(qū)塊航線的設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)的成果提交給飛行單位，由飛行單位審核通過(guò)的過(guò)程[1］。航線設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞將直接影響數(shù)據(jù)采集的效率以及質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是對(duì)山區(qū)而言，地形的起伏會(huì)影響到相鄰航帶的旁向重疊度，重疊度的大小直接關(guān)系到航飛時(shí)航線的數(shù)量，影響到是否會(huì)產(chǎn)生航線漏洞，能否達(dá)到規(guī)定精度范圍。

基于DEM的航空攝影航線優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是在已知測(cè)區(qū)的DEM、雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)和飛行器參數(shù)的情況下，自動(dòng)計(jì)算出適合該區(qū)域的旁向重疊度，并據(jù)此來(lái)設(shè)計(jì)出最優(yōu)航線。

2 機(jī)載激光雷達(dá)航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)應(yīng)首先確認(rèn)測(cè)圖比例尺，在遵循《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》、《地形圖航空攝影規(guī)范》的基礎(chǔ)上[2，3］，根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)以及飛行器的實(shí)際參數(shù)，制定飛行高度并且劃好航攝分區(qū)，以此來(lái)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。

2.1 確認(rèn)測(cè)區(qū)平均基準(zhǔn)面

平均基準(zhǔn)面是航攝分區(qū)內(nèi)具有代表性的多個(gè)高點(diǎn)及低點(diǎn)的平均高程[6］，即式中:Hj為平均基準(zhǔn)面的高度為區(qū)塊內(nèi)高點(diǎn)的平均高程;為區(qū)塊內(nèi)低點(diǎn)的平均高程。

2.2 確定飛行高度

根據(jù)測(cè)圖比例尺的要求，參考《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》獲取點(diǎn)密度要求，根據(jù)各激光傳感器的實(shí)際參數(shù)，確定飛行高度(如表1)。

表1 點(diǎn)云密度要求

根據(jù)表1，選擇合適的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，按照其激光發(fā)射脈沖的頻率確認(rèn)飛行高度，一般機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的理論飛行高度為

其中:H為在當(dāng)前激光發(fā)射脈沖頻率下激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)可以飛行的最大高度，c為光速，PRF為激光發(fā)射脈沖頻率。

2.3 計(jì)算旁向重疊度

在地形起伏較大的山區(qū)進(jìn)行航空攝影時(shí)，重疊度計(jì)算必須加入由于地形起伏引起重疊度誤差的改正。

圖1 地形起伏對(duì)重疊度的影響

圖1 中，S1和S2為兩條航線，兩條航線之間的距離為基線B，Δh為S1航線范圍內(nèi)地面最高點(diǎn)到平均基準(zhǔn)面距離，Py為航線在平均基準(zhǔn)面上的旁向重疊度長(zhǎng)度為地面上的實(shí)際旁向重疊長(zhǎng)度，Ly為航線在平均基準(zhǔn)面上的長(zhǎng)度為航線在地面上的實(shí)際長(zhǎng)度。

根據(jù)圖1可知，此處旁向重疊區(qū)域高程在平均基準(zhǔn)面高程之上，其實(shí)際重疊度達(dá)不到任務(wù)需求，此時(shí)需要調(diào)整基線長(zhǎng)，即 S2調(diào)整至 S'2處，即[1，4-5］

式中，qy是基準(zhǔn)面上的新旁向重疊度，q'y為實(shí)際地面點(diǎn)的旁向重疊度，Δh為相對(duì)于平均基準(zhǔn)面的高差，Hs為飛行高度相對(duì)于平均基準(zhǔn)面的高差。

根據(jù)測(cè)區(qū)地形起伏情況，以第一條航線為基準(zhǔn)，調(diào)整其與相鄰航線的間隔，保證相鄰兩條航線覆蓋的實(shí)際地面重疊度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)重疊度的要求，減少地形起伏對(duì)重疊度的影響。當(dāng)整個(gè)測(cè)區(qū)的航線都被計(jì)算出來(lái)，即完成給定重疊度情況下的航線設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

以山東某地區(qū)為例進(jìn)行試驗(yàn)分析，航攝參數(shù)如表2。

表2 航攝任務(wù)書(shū)指定參數(shù)

根據(jù)航攝任務(wù)書(shū)的要求，可知該測(cè)區(qū)高程為96～1 437 m，地形起伏比較大，最大高差有1 300 m。若不考慮地形起伏，則設(shè)計(jì)的相鄰兩條航線重疊區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)的重疊度可能小于航攝任務(wù)書(shū)要求的最小旁向重疊度，甚至有出現(xiàn)漏洞的風(fēng)險(xiǎn)。這樣一來(lái)，就需要調(diào)整基線長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足重疊度要求的航線。

圖2 不考慮DEM

圖3 考慮DEM

表3 航線信息對(duì)比

圖2為不考慮DEM的航線設(shè)計(jì)結(jié)果，圖3為考慮DEM的航線設(shè)計(jì)結(jié)果。通過(guò)對(duì)這兩種情況的航線進(jìn)行比較，可以看出在地形起伏區(qū)域，考慮DEM的必要性:

在不考慮DEM的結(jié)果中，第2～7條相鄰航線重疊區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)的重疊度出現(xiàn)了負(fù)值，說(shuō)明在該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)漏洞。第7～9條相鄰航線其最高點(diǎn)的重疊度小于設(shè)計(jì)要求的最小重疊度15%的要求，這樣的設(shè)計(jì)無(wú)法達(dá)到航攝任務(wù)書(shū)的要求。而在考慮DEM的航線設(shè)計(jì)中，對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域來(lái)說(shuō)，相對(duì)應(yīng)的縮小了相鄰航線之間的基線長(zhǎng)，保證了在地形起伏區(qū)域，相鄰航線重疊區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)的重疊度滿(mǎn)足航攝任務(wù)書(shū)的要求(如表3)。

4 結(jié)論

分析地形起伏對(duì)航帶重疊度的影響，深入探討了基于DEM的山區(qū)LIDAR航線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。最后，對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析，分別探討不考慮DEM和考慮DEM兩種情況下航線設(shè)計(jì)的結(jié)果。實(shí)踐證明，在山區(qū)，考慮DEM的航線設(shè)計(jì)更為合理、準(zhǔn)確。

[1]朱武.基于DEM的航空攝影設(shè)計(jì)方法研究[D］.北京:國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，2002

[2]國(guó)家測(cè)繪地理信息局.機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范[S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[3]國(guó)家測(cè)繪地理信息局.測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)匯編:攝影測(cè)量與遙感卷[S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003

[4]王東亮，萬(wàn)幼川，徐景中，等.基于DEM的機(jī)載LIDAR航線設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J］.測(cè)繪科學(xué)，2011(1):116-118

[5]金為銑，楊先宏，邵鴻潮，等.攝影測(cè)量學(xué)[M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2002