機(jī)載LiDAR點云數(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)獲取的點云數(shù)據(jù)是分布于對象表面的三維坐標(biāo)點，由于受多種因素的共同作用，用戶得到的點云在空間上是呈離散分布的，局部點云密度會呈現(xiàn)非常顯著的區(qū)別。點云密度作為點云數(shù)據(jù)質(zhì)量評價體系中的一項重要指標(biāo)，研究其影響因素以幫助項目進(jìn)行合理的設(shè)計實施，既能提高點云產(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點云密度的主要因素。

關(guān)鍵詞：機(jī)載LiDAR；點云密度；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)計思想，掃描儀的特性也有所不同。能夠?qū)c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/秒，需要根據(jù)點云密度需求設(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)動的微小震動、掃描電機(jī)的非勻速旋轉(zhuǎn)、多個傳感器之間的安置角誤差等，這些問題都會給激光的均勻穩(wěn)定發(fā)射帶來一定的影響。激光的不穩(wěn)定發(fā)射必定會給激光點云的數(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，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整預(yù)設(shè)參數(shù)即可滿足所需的點云密度要求。

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，獲取的點云數(shù)目也應(yīng)該是一定的。單獨考慮獲取一個帶寬中的點云，每條帶的點云所用時間是固定的，所以其點云量也應(yīng)該是固定的，以此類推，整個航帶掃描獲取的點云數(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)掃描時形成的帶狀掃描區(qū)域的寬度，運用三角函數(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，飛行高度越大時，帶寬越大。故針對具體區(qū)域制定飛行計劃時，如果所需的點密度較大時，就要考慮適當(dāng)?shù)慕档惋w行高度。

1.4 搭載平臺的飛行速度及六個外方位元素的影響

機(jī)載激光雷達(dá)的理想測量狀態(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，獲得的點云就會更加密集。但飛機(jī)在實際飛行中，由于條件的限制，飛行狀態(tài)不平穩(wěn)會產(chǎn)生較強(qiáng)烈而復(fù)雜的振動，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)角的六方位運動誤差。由載荷平臺六個外方位元素引起的運動誤差中，三個飛行軌跡運動誤差對點云密度的影響很微小，但三個姿態(tài)角運動誤差中俯仰角和航偏角誤差的影響極為顯著，會使點云密度的局部密度極大增大，同時其他局部區(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)激光信號到達(dá)目標(biāo)地物時就有不同的反射信號，反射程度也就不同，當(dāng)信號發(fā)生漫發(fā)射時還可能會造成信號丟失。在實際的掃描工作中，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被反射（雨霧冰霜雪同理）。另外，地表不連續(xù)以及移動物體如行人、動物、車輛等也會影響其反射量。

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、植被的茂盛程度對點云密度都有一定的影響。所以激光測量應(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——點云數(shù)據(jù)，針對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)驗進(jìn)行航測設(shè)計的盲目性，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)量評價、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。

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