激光雷達系統(tǒng)在大尺寸地形掃描中的應(yīng)用

陳啟威，孫 剛，龐賀偉，唐賴穎，楊再華，易旺民

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

為了深入研究和掌握月面特殊環(huán)境（低重力、月表地形地貌、月壤、月塵、月表溫度等）[1]對探測器探測活動的影響，將開展探測器在模擬月面地形[2]條件下的功能、性能專項試驗評價研究，以驗證其行走、越障及爬坡能力。在探測器專項試驗研究中，首先需要測量獲得模擬月面地形的 DEM圖，以此作為器上設(shè)備的檢測手段，并且與位姿測量系統(tǒng)聯(lián)合輔助探測器實現(xiàn)自主行走的“沙盤”演練。

經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)、全站儀測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)、數(shù)字工業(yè)攝影測量系統(tǒng)及激光掃描測量系統(tǒng)等在三維地形測量領(lǐng)域具備各自的測量優(yōu)勢[3-6]。針對模擬月面地形測量范圍大、精度高、光照環(huán)境復(fù)雜以及測量時間短等特點，本專項試驗的地形測量采用美國Metris公司MV330型激光雷達系統(tǒng)。激光雷達系統(tǒng)在進行大尺寸地形掃描測量時，將受到最大測量距離、最大測量俯仰角以及景深等限制條件，為此，需要通過多站點測量、高度限制和掃描區(qū)域限制等措施來實現(xiàn)模擬月面地形的掃描測量工作。針對測量站點布局、位置參數(shù)設(shè)置和掃描參數(shù)最大化設(shè)置等技術(shù)問題，本文開展了激光雷達系統(tǒng)在大尺寸地形掃描的應(yīng)用研究。詳情如圖1所示。

圖1 大尺寸地形掃描的限制條件、解決途徑及技術(shù)難題Fig. 1 Restrictions, solutions and technical problems of large-size topography scanning

1 測量方案的選定

三維地形高精度測量一般采用非接觸三坐標測量系統(tǒng)，根據(jù)原理不同可以大致分為空間測角測距法、模式識別攝影測量法和激光掃描法。空間測角測距法的采點密度和測量效率較低，難以應(yīng)用于大尺寸地形掃描測量；模式識別攝影測量法的像點匹配較為困難，測量范圍小、速度慢，而且易受測量環(huán)境光照條件的影響；激光掃描法的測量范圍大、速度快，而且采點密度高，也不易受外界環(huán)境影響。

模擬月面地形的專項試驗場測量區(qū)域為30 m×30 m，測量精度要求在高度方向為5 mm、水平方向為10 mm×10 mm，試驗場光照環(huán)境復(fù)雜，且要求測量時間短，因此非常適合激光掃描法。

目前比較成熟的激光掃描儀器有 Leica ScanStation系列掃描儀、Faro Scene系列掃描儀、美國GSI公司的V-STARS測量系統(tǒng)以及美國Metris公司的激光雷達系統(tǒng)。盡管Leica C10和Faro掃描儀是專業(yè)的地形測量系統(tǒng)，但其測量精度較低。V-STARS系統(tǒng)測量精度高且速度較快，但其單機測量范圍較小，拼接次數(shù)過多。與其他測量系統(tǒng)相比，激光雷達系統(tǒng)測點精度最高，測量范圍大、速度快，因此本專項試驗場的地形測量選用美國Metris 公司MV330型激光雷達系統(tǒng)。

2 測量站點布局

美國Metris 公司MV330型激光雷達的測量距離為 1～30 m，水平角測量范圍為±180°。掃描測量工作將受到激光雷達最大測量距離的限制，一般無法一次性完成大尺寸地形的測量任務(wù)，需要在測量工作中進行多站點布置測量。因此，針對大尺寸地形掃描測量，首先需要在測量區(qū)域邊緣布置若干個測量站點；然后在每個站點使用激光雷達系統(tǒng)分別掃描相應(yīng)的地形區(qū)域；最后將各個站點的測量數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的坐標系下進行地形地圖的拼接。測量站點的布局需要根據(jù)測量場地的地形情況、激光雷達的測量范圍、測量時間要求等進行合理規(guī)劃，兼顧測量的完整性、重點性和快速性。

專項試驗場的月面模擬地形參數(shù)如圖2所示，試驗場左半部分是直徑為30 m的半圓形試驗區(qū)，右半部分是15 m×30 m長方形試驗區(qū)，其中包括模擬月坑（直徑為2～10 m、深徑比為0.1～0.3）和障礙物（高度或深度0.1～0.4 m不等、長度0.1～0.6 m不等）。由于圖2中的坡道區(qū)和模擬月面區(qū)的地形復(fù)雜性，是激光雷達測量站點布局需重點考慮的兩個區(qū)域。

圖2 試驗場地形圖Fig. 2 The dimensions of experimental area

為了滿足測量數(shù)據(jù)無縫拼接的要求，測量過程中激光雷達相鄰的站點間距不能超過 2倍的激光雷達最大測量距離（與激光雷達測量高度密切相關(guān)），同時測量站點布局必須使激光雷達的測量范圍覆蓋整個測量場地。

激光雷達系統(tǒng)的掃描模式主要有“Vision Scan”和“Metrology Scan”，它們對應(yīng)的精度和速率均不同，其中“Vision Scan”側(cè)重于快速掃描，而“Metrology Scan”側(cè)重于高精度掃描[7]。對于地形掃描，掃描所需時間由總測量面積（試驗場面積）和掃描速率決定。總測量面積依據(jù)測量站點布局而定，掃描速率依據(jù)掃描模式而定，總測量面積越小，掃描速率越快，則地形掃描所需時間越短，效率越高。

根據(jù)上述3個方面的條件約束，針對專項試驗場地形測量技術(shù)要求，經(jīng)比較分析后制定如圖3所示的測量站點布局，激光雷達依次在站點L1、L2、L3處分別對地形進行“Vision Scan”掃描，圖中2個紅線區(qū)域至少需要2個測量站點對其進行掃描，在 3個站點測量結(jié)束后如有需要再對局部進行補充測量，主要是坑和石塊等聚集地。

圖3 測量站點布局Fig. 3 Layout of measurement sites

每個站點測量得到的地形數(shù)據(jù)都是基于各自站點激光雷達坐標系，因此需要將各個站點的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的試驗場坐標系下。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，在地形測量前就必須在場地周圍和場地內(nèi)布置若干標準靶球作為公共基準點，用來建立每個站點之間的相互位置關(guān)系。在每個站點的測量過程中都必須測量當(dāng)前站點坐標系下這些公共基準點的坐標，然后根據(jù)這些公共基準點的相對坐標關(guān)系將不同站點下測量得到的地形數(shù)據(jù)整合到同一坐標系下，實現(xiàn)多區(qū)域多視場的拼接。專項試驗場地形掃描測量過程公共基準點的布局如圖4所示。

圖4 公共基準點布局Fig. 4 Layout of reference datum marks

3 位置參數(shù)設(shè)置

激光雷達的位置參數(shù)主要是指激光雷達距測量場地的距離和測量高度，如圖5所示。激光雷達系統(tǒng)是激光發(fā)射式測量系統(tǒng)，測量質(zhì)量與激光的發(fā)射量正相關(guān)。因此對于大范圍平面掃描測量，通過提高激光雷達的高度h可以增大激光雷達對試驗場中地形測量的入射角，從而提高地形表面對激光的反射量，進而提高測量質(zhì)量。不過受到激光雷達俯仰角測量范圍的限制，激光雷達不宜安放過高，以免無法對場地邊緣區(qū)域進行掃描測量。激光雷達的最大測量距離和外圍場地的大小也制約了激光雷達與場地邊緣的距離l不宜過大。

圖5 激光雷達位置參數(shù)與測量場地關(guān)系示意圖Fig. 5 Relation between Laser Radar’s location parameters and measurement area

專項試驗場地形的最大高度為2 m左右。在地形測量中，激光雷達俯仰角的測量范圍為-45°～45°，其掃描頭的高度為1.6 m；L1、L2和L3測量站點與試驗場的最大距離l分別為3.6 m、2 m和1.75 m，因此激光雷達的最大測量高度h在L1點為3.6 m，L2點為2 m，L3點為1.75 m。在試驗中將激光雷達放置在可移動的升降車上，根據(jù)不同站點的測量條件可調(diào)整激光雷達高度進行地形掃描測量。

4 掃描參數(shù)最大化設(shè)置

在測量過程中，激光雷達測量參數(shù)的設(shè)置非常重要，主要包括點間距、線間距、掃描高度、掃描寬度、質(zhì)量閾值、信噪比等。點間距和線間距的設(shè)置直接關(guān)系到測量精度和測量速度，對于高精度要求和復(fù)雜地形區(qū)域設(shè)置較小的點、線間距進行掃描測量，否則可以設(shè)置較大的點、線間距以提高測量效率；掃描高度和掃描寬度直接關(guān)系到測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量和拼接效果，掃描范圍過大可能超出景深，掃描范圍過小可能無法進行地形拼接，影響測量速度；質(zhì)量閾值則直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的質(zhì)量，測量得到的數(shù)據(jù)點的質(zhì)量只有超過閾值才會被接收，復(fù)雜地形的掃描應(yīng)適當(dāng)提高閾值以去除雜點，否則可以降低閾值來增加數(shù)據(jù)密度；信噪比直接關(guān)系到信號的有效性程度，對于質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)，較大的信噪比能夠減少噪點數(shù)據(jù)，而對于質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)，較大的信噪比卻有可能會屏蔽掉有效點數(shù)據(jù)。因此在測量過程中往往都需要實時調(diào)整測量參數(shù)以適應(yīng)不同的測量需要。以下重點分析在掃描測量過程中掃描高度和掃描寬度的設(shè)置。

激光雷達測量時存在景深限制，如果測量區(qū)域超出當(dāng)前激光雷達的景深范圍，將無法得到正確的地形數(shù)據(jù)，甚至?xí)霈F(xiàn)空白區(qū)域；同時在掃描過程中不能改變焦距。因此為了得到正確的地形數(shù)據(jù)，需要保證整個區(qū)域在同一景深范圍內(nèi)，對于不可能一次性掃描測量的大面積地形，需要進行分塊掃描。在長距離的區(qū)域掃描過程中，景深的大小直接限制了激光雷達掃描高度和掃描寬度的設(shè)置。

4.1 最大掃描高度

景深與激光雷達掃描高度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 激光雷達俯仰方向測量模型Fig. 6 Measurement model of laser radar in pitching direction

圖6中，h為激光雷達的高度；r為激光雷達的測量距離；f為激光雷達的景深；θ為激光雷達的測量俯仰角；θ1、θ2、θ3分別是測量距離為r-f、r、r+f時與地面的夾角；x1、x2為激光雷達視線切平面上的掃描高度；x’1、x’2為激光雷達掃描高度在地面上的陰影大小值，即

計算得知：若x’1＞x’2時，則掃描高度應(yīng)以x’2為基準，令x’max=x’2，在視線切平面上的激光雷達掃描高度xmax為

4.2 最大掃描寬度

景深與激光雷達掃描寬度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 激光雷達方位方向測量模型Fig. 7 Measurement model of laser radar in azimuth direction

圖7中x’、y’分別為激光雷達掃描高度和掃描寬度在地面上的陰影值。

激光雷達在掃描過程中需要滿足 0＜x’≤x’max，0＜y’≤y’max，其中y’max是x’的函數(shù)，需要滿足

那么可以得到

而在視線切平面上的激光雷達最大掃描高度ymax為

4.3 最大掃描面積

圖7中陰影部分的面積，即當(dāng)前掃描面積為

要實現(xiàn)陰影部分面積的最大化，對式(5)進行微分，得

求解上式可得到最大掃描面積S與測量距離r、掃描高度x、掃描寬度y之間的關(guān)系。

假設(shè)激光雷達的高度h=3.6 m，景深f=800 mm，可以得到S、r、x、y的關(guān)系曲線如圖8～圖10所示。

圖8 掃描高度x、掃描寬度y與測量距離r的關(guān)系Fig. 8 Three-dimensional curve of box height (x), box width(y) and range (r)

圖9 掃描面積S、掃描高度x與測量距離r的關(guān)系Fig. 9 Three-dimensional curve of area (S), box height (x)and range (r)

圖10 最大掃描面積時掃描高度x、掃描寬度y與測量距離r的關(guān)系Fig. 10 Three-dimensional curve of box height (x), box width (y) and range (r) under the maximum area

從這些曲線圖中可以得出以下幾點結(jié)論：

1）隨著測量距離的增加，景深對掃描高度的影響逐漸增大，掃描高度的有效最大值明顯減小，從5 m處的800 mm減小到30 m的100 mm。

2）隨著測量距離的增加，景深對掃描寬度的影響逐漸減弱，掃描寬度的有效最大值逐漸增加，從5 m處的2 500 mm增加到30 m的7 000 mm。

3）最大掃描區(qū)域基本呈扁平狀，最大掃描面積隨著測量距離的增加而逐漸增大，在5 m遠處大約有5 m2的掃描面積，在30 m遠處大約有9 m2的掃描面積。

4）要獲得最大的掃描面積，掃描高度和掃描寬度需要隨著測量距離的變化而不斷變化，三者之間存在函數(shù)關(guān)系，掃描高度從5 m處的500 mm減小到30 m的50 mm，掃描寬度從5 m處的1 500 mm增加到30 m的4 000 mm。

因此對于大面積掃描測量試驗，必須劃分多個區(qū)域進行分別掃描，才能得到有效可用數(shù)據(jù)，而且隨著測量區(qū)域的不同，掃描高度和掃描寬度的數(shù)值需要適當(dāng)調(diào)整。

另外激光雷達的高度、景深的大小也對掃描高度和掃描寬度的設(shè)置有很大影響，高度越高、景深越大，則最大有效掃描高度和掃描寬度也就越大。

5 結(jié)束語

三維激光掃描測量技術(shù)在自動化、長距離、大范圍、非接觸、高精度等方面具有優(yōu)勢，以往的計量型激光掃描儀主要用于復(fù)雜型面的快速三維成型測量與分析，本文首次將高精度的激光雷達系統(tǒng)應(yīng)用于大范圍月面模擬地形的測量，從設(shè)備布局和測量參數(shù)兩個方面開展了激光雷達系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用研究。為實現(xiàn)大尺寸地形掃描測量，文章分析了激光雷達系統(tǒng)的測量站點布局和位置參數(shù)設(shè)置，重點研究了在景深條件限制下激光雷達的有效掃描高度和掃描寬度，以及為實現(xiàn)最大掃描面積時的掃描高度和掃描寬度設(shè)置。以上研究結(jié)果可為深空大范圍掃描測量研究提供一定的參考。

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