機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度的影響因素研究

金振振 靳海亮 李志杰 黃兵

摘 要：機(jī)載激光雷達(dá)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是分布于對(duì)象表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)，由于受多種因素的共同作用，用戶得到的點(diǎn)云在空間上是呈離散分布的，局部點(diǎn)云密度會(huì)呈現(xiàn)非常顯著的區(qū)別。點(diǎn)云密度作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，研究其影響因素以幫助項(xiàng)目進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)實(shí)施，既能提高點(diǎn)云產(chǎn)品質(zhì)量，又能幫助提高掃描作業(yè)的效率，節(jié)約工程成本。本文通過總結(jié)大量的工程應(yīng)用實(shí)例，結(jié)合已有的科研成果，綜合分析了能夠影響機(jī)載LiDAR點(diǎn)云密度的主要因素。

關(guān)鍵詞：機(jī)載LiDAR；點(diǎn)云密度；數(shù)據(jù)質(zhì)量；影響因素

1 密度影響因素

1.1 激光掃描儀的選擇及預(yù)設(shè)

激光掃描儀是機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的核心。機(jī)載LiDAR自1995年開始商業(yè)化后，目前已有眾多廠商生產(chǎn)機(jī)載激光掃描儀，可選擇的型號(hào)超過30多種。機(jī)載LIDAR技術(shù)的硬件集成和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)的開發(fā)方面發(fā)展迅速，依據(jù)不同用途和設(shè)計(jì)思想，掃描儀的特性也有所不同。能夠?qū)c(diǎn)云密度造成影響的主要表現(xiàn)在掃描方式和脈沖重復(fù)頻率。不同的掃描方式是造成掃描條帶中數(shù)據(jù)分布不均勻的主要原因，常見的掃描方式有鏡擺掃描、光纖掃描、旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描。在掃描作業(yè)前需要對(duì)脈沖頻率進(jìn)行預(yù)設(shè)，如今最先進(jìn)的激光掃描儀的掃描頻率可以達(dá)到22萬點(diǎn)/秒，需要根據(jù)點(diǎn)云密度需求設(shè)置合適的頻率。

1.2 激光掃描儀自身不穩(wěn)定性

儀器自身的不穩(wěn)定性也會(huì)激光的正常工作帶來一定影響，如掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的微小震動(dòng)、掃描電機(jī)的非勻速旋轉(zhuǎn)、多個(gè)傳感器之間的安置角誤差等，這些問題都會(huì)給激光的均勻穩(wěn)定發(fā)射帶來一定的影響。激光的不穩(wěn)定發(fā)射必定會(huì)給激光點(diǎn)云的數(shù)目造成一定的影響，但如果其偏差若保持在一定的范圍之內(nèi)時(shí)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整預(yù)設(shè)參數(shù)即可滿足所需的點(diǎn)云密度要求。

1.3 飛機(jī)的飛行高度

LiDAR系統(tǒng)的每秒發(fā)射的激光脈沖數(shù)目（脈沖頻率）和掃描頻率為固定值，則一定時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的激光束數(shù)目是固定的，不考慮多次回波的情況時(shí)，獲取的點(diǎn)云數(shù)目也應(yīng)該是一定的。單獨(dú)考慮獲取一個(gè)帶寬中的點(diǎn)云，每條帶的點(diǎn)云所用時(shí)間是固定的，所以其點(diǎn)云量也應(yīng)該是固定的，以此類推，整個(gè)航帶掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)都與飛行高度無關(guān)。

掃描帶寬SW圖

掃描帶寬（SW）是指系統(tǒng)掃描時(shí)形成的帶狀掃描區(qū)域的寬度，運(yùn)用三角函數(shù)關(guān)系可得公式SW=2H tan（θ/2），由該式可以了解到當(dāng)激光束掃描角一定時(shí)，飛行高度越大時(shí)，帶寬越大。故針對(duì)具體區(qū)域制定飛行計(jì)劃時(shí)，如果所需的點(diǎn)密度較大時(shí)，就要考慮適當(dāng)?shù)慕档惋w行高度。

1.4 搭載平臺(tái)的飛行速度及六個(gè)外方位元素的影響

機(jī)載激光雷達(dá)的理想測(cè)量狀態(tài)要求飛機(jī)按規(guī)劃航線勻速直線飛行，這樣獲得的掃描點(diǎn)云分布較規(guī)則、密度較均勻，采樣質(zhì)量最優(yōu)。激光雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率固定后，當(dāng)飛行速度越慢，獲得的點(diǎn)云就會(huì)更加密集。但飛機(jī)在實(shí)際飛行中，由于條件的限制，飛行狀態(tài)不平穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈而復(fù)雜的振動(dòng)，很難保持理想的勻速直線飛行狀態(tài)，存在飛行軌跡和姿態(tài)角的六方位運(yùn)動(dòng)誤差。由載荷平臺(tái)六個(gè)外方位元素引起的運(yùn)動(dòng)誤差中，三個(gè)飛行軌跡運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)點(diǎn)云密度的影響很微小，但三個(gè)姿態(tài)角運(yùn)動(dòng)誤差中俯仰角和航偏角誤差的影響極為顯著，會(huì)使點(diǎn)云密度的局部密度極大增大，同時(shí)其他局部區(qū)域密度顯著降低。

1.5 掃描地區(qū)的地形、地物

由于目標(biāo)物體有不同的物理特性，當(dāng)激光信號(hào)到達(dá)目標(biāo)地物時(shí)就有不同的反射信號(hào)，反射程度也就不同，當(dāng)信號(hào)發(fā)生漫發(fā)射時(shí)還可能會(huì)造成信號(hào)丟失。在實(shí)際的掃描工作中，由于地物、地貌的復(fù)雜多樣，地表的坡度、表面材質(zhì)和顏色、表面粗糙程度都會(huì)有很大的差別，激光照射在上面有不同的穿透率或反射率。由于水能吸收大量的紅外激光，所以在水域一般很少由信號(hào)被反射（雨霧冰霜雪同理）。另外，地表不連續(xù)以及移動(dòng)物體如行人、動(dòng)物、車輛等也會(huì)影響其反射量。

1.6 飛行季節(jié)及天氣狀況

激光雖然具有良好的穿透性，但是探測(cè)質(zhì)量（距離、強(qiáng)度）與季節(jié)和天氣狀況密切相關(guān)，如云層的遮擋（無法穿透云層）、空氣的溫度和濕度、懸浮物顆粒的大小和密度、氣流的環(huán)流速度、植被的茂盛程度對(duì)點(diǎn)云密度都有一定的影響。所以激光測(cè)量應(yīng)選在晴朗少云的天氣進(jìn)行，這樣衰減較小、干擾因素較少，傳播距離較遠(yuǎn)而精確。

2 結(jié)語

本文探討了機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的產(chǎn)物之一——點(diǎn)云數(shù)據(jù)，針對(duì)其密度的影響因素進(jìn)行了全面的分析，研究的結(jié)果有助于了解密度的影響因素和控制手段，可以避免僅僅依賴作業(yè)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行航測(cè)設(shè)計(jì)的盲目性，能夠在掃描儀的選擇和參數(shù)設(shè)置、布置航飛作業(yè)、輔助質(zhì)量評(píng)價(jià)、找出密度問題原因、尋求補(bǔ)償措施中起到一定的參考和指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王萍，周筑博，王平.針對(duì)不同作業(yè)模式分析LiDAR點(diǎn)云密度對(duì)電力巡線的影響[J].測(cè)繪與空間地理信息，2017（03）.

[2]靳克強(qiáng)，龔志輝，湯志強(qiáng).機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系分析與探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2012（04）.

[3]賴旭東，劉雨杉，李詠旭.機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云密度特征應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].地理空間信息，2018（12）.