機(jī)載LiDAR航帶設(shè)計(jì)問(wèn)題探討

繆志修 黃華平 林國(guó)慶 劉建軍

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 概述

機(jī)載激光雷達(dá)航帶的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量航帶設(shè)計(jì)有一定相似之處，同時(shí)又有差別。機(jī)載激光雷達(dá)航帶設(shè)計(jì)不僅要考慮相機(jī)參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)還要考慮激光器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。

航帶設(shè)計(jì)是進(jìn)行航空攝影測(cè)量的關(guān)鍵工作，對(duì)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(shè)計(jì)主要是依據(jù)航空攝影技術(shù)規(guī)范以及航攝任務(wù)書(shū)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(gè)飛行分區(qū)，然后完成每個(gè)分區(qū)的航帶設(shè)計(jì)。進(jìn)行航帶劃分的主要原因有以下幾個(gè)方面。

(1)如果航飛區(qū)域過(guò)大，則航區(qū)內(nèi)相對(duì)高差也就會(huì)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(dāng)高度超過(guò)一定的距離時(shí)，激光接收器無(wú)法接收到回波信號(hào)，最終導(dǎo)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(cè)量要求，進(jìn)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(jī)保持航線直線性飛行的時(shí)間越長(zhǎng)，IMU積累的誤差也會(huì)變得越大，一般來(lái)說(shuō)，每條航線的直線飛行距離時(shí)間不超過(guò)30 min［2］。

2 激光發(fā)射器參數(shù)設(shè)定

劃分好各個(gè)分區(qū)后，就需要對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮測(cè)區(qū)的基準(zhǔn)面高程、最低點(diǎn)高程、最高點(diǎn)高程、激光點(diǎn)密度、最小重疊度，以及飛機(jī)安全高度下的前方和側(cè)方安全距離等。

2.1 航測(cè)分區(qū)的基準(zhǔn)面高程

航測(cè)分區(qū)的基準(zhǔn)面高程直接影響到飛機(jī)的最低飛行高度。航測(cè)分區(qū)的基準(zhǔn)面高度H基是由航測(cè)分區(qū)內(nèi)高點(diǎn)的平均值H高和航測(cè)分區(qū)內(nèi)低點(diǎn)的平均值H低來(lái)計(jì)算的［3］

通常在計(jì)算H高時(shí)應(yīng)至少取測(cè)區(qū)內(nèi)的10個(gè)高點(diǎn)高程的平均值，而H低也至少取測(cè)區(qū)內(nèi)的10個(gè)低點(diǎn)高程的平均值。

2.2 掃描帶寬

掃描帶寬是指系統(tǒng)掃描時(shí)形成的帶狀掃描區(qū)域?qū)挾取Ｈ鐖D1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(diǎn)數(shù)

每條掃描線的激光點(diǎn)數(shù)LN是由脈沖發(fā)射頻率F和掃描頻率f這兩個(gè)參數(shù)決定的，和飛機(jī)飛行高度，飛行速度等無(wú)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(diǎn)間距(down track)

航向激光點(diǎn)間距Ddown是指沿著飛行方向掃描點(diǎn)之間的距離，對(duì)于Z字形掃描，其計(jì)算是通過(guò)沿著飛行方向的距離和沿著飛行方向的激光點(diǎn)數(shù)的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。計(jì)算公式為

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

2.5 旁向激光點(diǎn)間距(cross track)

旁向激光點(diǎn)間距Dacross為一條掃描線上相鄰激光腳點(diǎn)間距。對(duì)于Z字形掃描，掃描帶寬SW與每一條掃描線上的激光腳點(diǎn)個(gè)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(diǎn)間距和掃描角、飛行高度、掃描頻率、脈沖發(fā)射頻率這四個(gè)參數(shù)有關(guān)。

2.6 考慮重疊度的激光點(diǎn)云密度

在實(shí)際攝影測(cè)量中，激光腳點(diǎn)的密度通常是由航攝用戶單位提出的。在設(shè)計(jì)航線時(shí)需要根據(jù)用戶提出的激光腳點(diǎn)密度來(lái)設(shè)置其他相應(yīng)的作業(yè)參數(shù)，激光腳點(diǎn)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(diǎn)，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(yīng)的降低飛機(jī)飛行的高度，這樣就會(huì)增加航飛的成本。因?yàn)轱w機(jī)飛行高度的降低會(huì)導(dǎo)致在相同時(shí)間內(nèi)，以同樣掃描角進(jìn)行掃描，所掃描的區(qū)域面積會(huì)減少。

激光腳點(diǎn)密度den為掃描的全部點(diǎn)數(shù)N除以實(shí)際測(cè)量面積S

在計(jì)算實(shí)際測(cè)量面積時(shí)應(yīng)注意的是:由于航帶設(shè)計(jì)時(shí)是有一定的重疊度的，因此在算實(shí)際測(cè)量面積時(shí)應(yīng)該去除重疊航帶的面積。具體計(jì)算公式如下［1］

其中，SW為掃描帶寬。n為設(shè)計(jì)的航線個(gè)數(shù)，q為航帶重疊度。

全部激光點(diǎn)數(shù)N為激光脈沖頻率F乘于測(cè)區(qū)飛行時(shí)間，即

2.7 不考慮重疊度的激光點(diǎn)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(diǎn)間距，Dacross為旁向點(diǎn)間距。

可以看出影響激光點(diǎn)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(diǎn)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(shè)計(jì)的航線數(shù)量，航線數(shù)少，飛行時(shí)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(shí)，為了能夠保證數(shù)碼相機(jī)影像重疊度能夠和點(diǎn)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(diǎn)云的旁向重疊度應(yīng)該大于15%。同時(shí)在航帶設(shè)計(jì)時(shí)要考慮飛機(jī)的側(cè)方與前方的安全距離。

在實(shí)際航跡設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足航飛條件的前提下，應(yīng)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(jī)參數(shù)設(shè)定

設(shè)定好激光發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)之后，就需要對(duì)相機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，下面以DiMAC相機(jī)為例，進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)定。

DiMAC相機(jī)參數(shù)設(shè)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(gè)相機(jī)都有自己最小曝光時(shí)間的設(shè)定，如DiMAC相機(jī)的最短曝光時(shí)間是不低于3 s。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為重慶市某縣，該測(cè)區(qū)以山地為主，測(cè)區(qū)內(nèi)山大坡陡，最大高差可以達(dá)到1 800m左右。該測(cè)區(qū)為帶狀的南北走向，測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏較大。按照測(cè)區(qū)分區(qū)的原則，劃分成5個(gè)分區(qū)。表1為該測(cè)區(qū)其中一個(gè)分區(qū)的參數(shù)設(shè)置。

表1 航帶設(shè)計(jì)參數(shù)

具體航線設(shè)計(jì)以及飛行結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 航帶設(shè)計(jì)示意

圖3 實(shí)際飛行結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)激光激光雷達(dá)航帶設(shè)計(jì)中激光設(shè)備器和相機(jī)參數(shù)設(shè)置以及各參數(shù)之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，對(duì)優(yōu)化航帶設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。在實(shí)際航跡設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足航飛條件的前提下，應(yīng)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(jī)載激光雷達(dá)基礎(chǔ)原理與應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］王東亮，萬(wàn)幼川．基于DEM的機(jī)載LiDAR航線設(shè)計(jì)［J］．測(cè)繪科學(xué)，2011，36(1):117-118