機載LiDAR多脈沖模式在山區數據采集中的應用

李 騰，施 昆，張 寧

（昆明理工大學 國土資源工程學院，云南 昆明 650093）

0 引言

機載 Lidar（Light Detection and ranging，LiDAR）[1,2]是激光探測及測距系統的簡稱，是一種快速獲取地面及地物高精度三維信息的一項技術。基于機載激光雷達技術及其原理、數據采集、數據處理，國內外學者對其做了大量的研究工作[3-5]。它是集三維激光掃描技術、高動態載體姿態測定技術和高精度的動態GPS差分技術與一體的探測技術。它相較于傳統遙感技術具有自動化程度高、受天氣影響相對較小、速度快效率高、能夠輕松穿透植被的葉冠得到地面點云數據等技術特點[6]，因此可以快速的獲取地物的數字表面模型，生成高分辨率數字高程模型[7]，在三維數據城市建設、地形測繪、森林調查、環境監測等方面具有獨特的優勢，是傳統攝影測量方法無法取代的[8]，因此，引起了測繪行業的濃厚興趣。

單脈沖作業模式在地形起伏不大的地區能夠發揮較好的效果，在點云密度要求不高的山區也能發揮一定作用。當點云密度要求每平方米大于1個點時，特別是在落差較大的山區會受到很大的限制，作業效率偏低[9]。多脈沖作業模式的興起能夠很好的提高飛機的飛行高度降低地形影響，增加點云密度及作業效率。

1 機載激光多脈沖技術原理及優勢

1.1 機載激光多脈沖技術的介紹

一般的機載激光雷達系統采用的是單脈沖探測模式，即由激光發射系統發送一個激光脈沖信號，經目標物反射后被接收系統收集，根據激光發射至接收的時間間隔t精確計算并確定目標的距離[10-11]。但是單脈沖工作模式激光的發射只能在前一束激光接收以后后一束激光才能被觸發，而且其發射一個脈沖并要求在單位時間 T0(1/f)內接收其回波信號，否則視為信號丟失[12]。

多脈沖探測技術通過允許機載激光雷達系統在接收前一束脈沖信號之前發射第二束激光脈沖信號，并且再接收時不會將兩束激光回撥信號混淆[13]。多脈沖多頻率模式則是在多脈沖的基礎上對不同的視場角采用不同的采樣頻率。設視場角 θ，飛機飛行高度H，激光測距值D。D=H/COS(θ)對于大視場角的設備來說隨著視場角的增大測距值會隨之增大。為滿足不同的測距需求將分為三個不同的角度19度，28度，35度分別采用不同的發射頻率。

1.2 機載LiDAR多脈沖作業的優勢

（1）在相同的地形及密度條件下多脈沖模式的飛行高度可以比單脈沖模式下的飛行高度提高1-2倍。

（2）突破了傳統單脈沖激光雷達技術的限制，多脈沖模式可以實現跟高的脈沖頻率，在同一高度獲取所需的點密度，能夠達到傳統覆蓋率的兩倍。

（3）由于飛機能飛得更高，地形高度變化對航帶寬的影響會變小，因此需要較少的側重疊來保證完整的區域覆蓋。

（4）通常較高的飛行高度會湍流相對較少，可以更舒適的飛行和減小飛行人員疲勞度。考慮到飛行人員在大區域任務的高“任務周期”，這一點尤其重要。每天都有可能進行多次長時間(長達 7小時)的任務[14]。

機載激光雷達多脈沖探測技術最早由加拿大的Optech公司開發，目前，Leica ALS60、RieglCP680以及中國的一些公司也已經具備該技術。

2 工程應用

2.1 項目概述

本項目對貴州某地區的地形數據采集工作，測區地形包括山區、平地、丘陵。大部分地區為山區，山區部分地形起伏較大，交通條件一般。根據技術要求該攝區采用機載激光雷達技術，獲取相應區域點云數據，點云密度大于等于1點/平方米，高程精度優于 0.3米。同時獲取輔助影像數據，影像分辨率優于0.3 m。

2.2 航攝技術參數設計

2.2.1 航高設計

綜合考慮點云密度、影像分辨率、精度要求等，攝區采用lidar進行數據獲取，點云密度大于等于1點/平方米，高程精度優于0.3米，同時獲取相應影像，影像分辨率優于0.3 m，參照以上要求，綜合考慮LC-3500型號機載LiDAR設備及配套數碼相機性能及攝區基準面高度，且有效避開航空掃描盲區。攝區擬使用LC-3500型號機載LiDAR設備獲取，設計航線行相對高度為1400米。

相對航高由如下公式計算：

航高≤2214.7 m

其中h代表相對航高；f（50.2 mm）代表鏡頭主距；a（6.8 um）代表像元尺寸；GSD（0.3）代表地面分辨率[15]。

2.2.2 點云密度設計

隨著技術的提高，對作業精度及密度的要求也不斷增加，為滿足特定的工作需求，設計飛行前要計算點云密度是否滿足項目要求：

設航線方向的點云間距為D1，單位m，

Fscan是激光掃描頻率，V是飛行器飛行速度，單位米/秒，R是電機轉速，轉速單位為轉/秒。

垂直于前進方向的掃描線上點云間距 D2與掃描點分布有關，若掃描點間距相等，則D2可以表示為：

所以：

SW 是指地面掃描帶寬飛行速度、H是飛機飛行相對高度、FOV指掃描視場角、R是電機轉速。

飛機飛行速度、電機轉速、飛行航高、激光發射頻率四個參數之間存在矛盾性，設計過程中不能同時滿足D1、D2相等。為達到密度要求1 point/m2需D1＜1 m、D2＜1 m。

具體設計參數如表1所示。

2.3 基站選取

基站數據采用GNSS+CORS基站數據，基站的觀測時間應該長于LC-3500的有效作業時間，因此要求航飛之前30 min必須架設好基站并開機，航飛結束后繼續觀測30 min后關機。CORS站數據覆蓋時間應覆蓋GNSS基站觀測時間。基站GPS接收機的接收頻率一般設為1 Hz，如果接收機達不到1Hz的接收頻率，需要在后處理中進行內插來加密采樣間隔。基站儀器高需要量測二次，并記錄。準確記錄開關機時間。

表1 飛行設計參數Tab.1 Flight design parameters

（1）基站點布設原則：距離測區的邊緣不超過50 km；檢校場的基站一般要求在15 km以內；

（2）基站觀測時間長，注意電池電量的保證，一般必須滿足8 h以上的連續觀測。存儲卡的容量一般要求8 M以上；

（3）使用雙頻GPS接收機及高精度配套天線；

（4）觀測要求：

1. 和機載GPS同步觀測；

2. GPS衛星高度角≥15°；

3. 有效觀測衛星個數≥5；

4. GPS接收機采樣頻率一般要求2 Hz（最小不低于 1 Hz）。

5. 地面基站的高程要達到四等水準精度。

6. 觀測時要認真量取GPS天線高，填寫觀測手簿等相關資料，GPS天線高的量取，在每個時段觀測前后各量測兩次天線高，兩次讀數差不能超過2 mm，取平均值作為各次的讀數，前后兩次讀數差不能超過3 mm。

2.4 數據采集質量控制

激光雷達設備的工作對于飛機的飛行質量是有一定要求的，在進行航飛之前，需要攝影員與飛行員進行認真的溝通和技術交流，確保飛行員對于激光雷達設備的飛行要求做到理解和掌握。否則，一旦在空中出現問題，不但降低了整個飛行的效率，而且對最終的數據成果質量也會造成不同程度的影響。一般來說，裝載了GPS和IMU的設備，對于飛行要求大致如下：

（1）“8”字飛行

由于IMU容易受到累積誤差的影響（如drift），高精度的IMU（如美國Honeywell的uIRS）可以達到0.01°/h累計誤差，低精度的IMU（如德國iMAR的FSAS）僅可達到0.5°/h的累計誤差，但即使最好的 MIU所造成的漂移累計誤差都會對數據精度產生影響。因此，裝載了IMU的LiDAR設備，在每次進入測區開始沿航線飛行前和飛完航線返回機場前，都必須進行IMU初始化飛行，以提高IMU的后處理精度[16]，即：進入測區進行航線飛行前先平飛5 min，然后做“8”字轉彎飛行，飛完最后一條航線后，在做“8”字轉彎飛行，平飛5 min。

（2）靜態觀測

如果測區距離機場很近，飛機在開車之后，正常啟動系統并需要地面靜態GPS觀測5 min。飛機落地后，也需要設備靜態GPS觀測5 min。如果測區離機場距離較遠，飛機在飛進測區的途中飛行時間在30 min以上，則無需進行地面靜態觀測，但要保證飛機在空中飛行足夠長的時間以鎖定GPS衛星。

（3）轉彎坡度要求

轉彎坡度＜22°，最好在15°~20°之間。

（4）航線上飛行姿態要求

Roll（側滾角）<5°；

Pitch（俯仰角）<5°；

Heading（航偏角）<20°。

左右航偏距離<75 m，超過200 m自動停止曝光。

上下航偏距離<100 m，超過300 m自動停止曝光。

（5）飛行速度要求

本次選用PC6運輸機執行任務，整個計劃的航線飛行速度（對地速度）在200 km/h左右，速度允許在±20%范圍內浮動。

2.5 數據質量檢查

對航攝采集回來數據要立即進行初步的數據質量檢查，如果數據質量滿足規范及項目要求，則需要進行歸檔和備份，如果數據質量存在問題，則需要進行補飛或重飛。需要檢查的數據：原始 GPS/IMU數據，原始激光數據，原始影像數據，基站GPS數據。檢查的流程和內容包括以下幾個方面：

1. GPS/IMU數據解壓

利用 POSpac軟件，將原始數據進行解壓，解壓后的數據導入軟件，軟件會對GPS/IMU數據的整體狀態做出最終評估。大于5個IMU采樣間隔時間的漏洞會導致飛行軌跡數據的精度嚴重下降。1個或者2個采樣間隔的漏洞可以在后處理中內插，數據處理仍然可以正常進行。

2. 導航文件的精度指標

高質量的的軌跡文件是保證高質量檢校和數據點云精度的關鍵，因此需要嚴格控制和檢查。POSpac解算后可輸出精度指標，供航攝員評估數據質量。

3. 激光數據檢查

（1）回波比例：在地表以建筑物、植被、道路為主體的地區，正常的激光回波比例應該在95%以上，部分地區可以達到100%。

（2）航線重疊度：檢查航線數據的旁向重疊度是否滿足要求。

（3）數據完整性：檢查航線中部是否有數據丟失的現象，檢查航線邊緣是否有數據丟失的現象。

4. 影像質量

（1）影像數量：主要檢查影像存儲數據量是否與預計拍攝數量相同，是否存在漏片現象。

（2）影像重疊度：航向重疊是否滿足65%，旁向重疊是否滿足35%。

（3）影像質量：檢查影像輻射糾正后色彩亮度、色彩均勻度、分辨率是否正常，影像的CCD像元是否完好，是否存在壞點、壞線等情況。

2.6 精度評價

根據測區的范圍以及地形情況將在測區布設三個精度驗證區，精度驗證區在距離基站、檢校場較遠、精度相對較弱且外業控制實施容易的區域選取，不同精度驗證區應選在不同地形條件、不同航線且相距較遠的區域。

每個驗證區選取一幅圖，高程檢核點選取平整路面或學校操場廣場等，盡量均勻分布一圖幅內，平面的檢核點選取高大規則建筑物。每幅圖測量點數不少于20個。三個精度驗證區面積分別為15 km2、10 km2、11 km2，每個區選取多檢測點，保證精度滿足成圖要求，出具精度檢測報告。

2.6.1 高程精度評價

本次高程精度檢測共分為三個區域，分別分布在攝區的上中下三個區域。高程驗證點為平整道路路面及道路交叉口四角（使用儀器 RTK），每隔 50米一個點。兼顧安全的前提下，盡量選擇道路中線。圖1為其中一個區域的道路選擇示意圖。

三個區域分別采集 405個點，205個點和 410個點，將驗證區采集的高程點通過Terrascan與中衛的點云數據進行自動平差檢測，生成激光點云的高程精度報告。表2為高程精度統計表，圖2為高程精度檢測示意圖。

將三個精度驗證區采集到的高差精度數據進行分段統計，并得到各階段所占比例如表3所示。

《機載激光雷達數據獲取規范》要求，1:2000點云數據高程中誤差平地0.25 m，丘陵地0.35 m，山地0.85 m，通過驗證得到中部驗證區點云數據高程中誤差0.089 m，上部驗證區點云數據高程中誤差0.135 m，下部驗證區點云數據高程中誤差0.125 m，滿足1:2000規范點云數據高程精度要求而且滿足項目要求。

圖1 道路選擇示意圖Fig.1 Road selection diagram

圖2 高程精度檢測示意圖Fig.2 Elevation accuracy detection diagram

表2 高程精度統計表Tab.2 Elevation accuracy statistics

2.7 平面精度

平面驗證點為選擇高大廠房的房角、房屋屋脊以及對應的地面高程（使用儀器全站儀）。本次三個驗證區采集房屋12個工共采集有效點數72個，為方便廠房的辨識度只加載廠房周圍一定距離的點云數據并擬合出廠房邊界。將擬合出的房屋邊界與實測房屋邊界進行對比分析并統計得到平面誤差值。結果顯示平面最大誤差值0.538，最小誤差值0.013，中誤差0.218。實測點與激光點云對比結果如圖3所示。

表3 高程精度分布（單位cm）Tab.3 Height Accuracy Distribution (in cm)

圖3 實測點與激光點云對比Fig.3 Measured points and laser point cloud contrast

對所測得的平面點精度分段統計，并得到個階段所占比例如下表（單位cm）：

表4 平面點精度分布Tab.4 flat point accuracy distribution

通過外業精度檢測可知，本次精度評估中，測區高程及重要地物平面點位誤差在兩倍中誤差以內數據大于95%，點云檢測精度較高，數據可信且滿足規范要求。

3 結束語

本文通過機載激光雷達多脈沖多頻率的作業模式在山區數據采集中的應用及精度分析，說明了多脈沖模式在山區數據采集的可行性。對于地形起伏較大的地區或飛行高度要求較高時機載激光單脈沖模式也可以完成，但只能在低脈沖頻率下工作，采集的點云密度相對較低，難以滿足高精度制圖需求多脈沖模式則可以很好的解決這一問題。多脈沖模式雖然具有作業效率高等更好的優勢，但是在面對地形欺負較大的區域時，會受到大氣邊緣區的影響，如何規避大氣邊緣區的影響是必須考慮的問題。

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