機載LiDAR航帶設計問題探討

繆志修 黃華平 林國慶 劉建軍

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 概述

機載激光雷達航帶的設計與傳統的航空攝影測量航帶設計有一定相似之處，同時又有差別。機載激光雷達航帶設計不僅要考慮相機參數的設置，同時還要考慮激光器相關參數的設置。

航帶設計是進行航空攝影測量的關鍵工作，對于獲取的數據質量及航飛安全起到十分重要的作用。航帶設計主要是依據航空攝影技術規范以及航攝任務書的要求，首先根據航飛區域面積的大小及走向，劃分為若干個飛行分區，然后完成每個分區的航帶設計。進行航帶劃分的主要原因有以下幾個方面。

(1)如果航飛區域過大，則航區內相對高差也就會越大，由于激光發射脈沖頻率和接收高度之間存在一定的關系，當高度超過一定的距離時，激光接收器無法接收到回波信號，最終導致的結果是在航攝區域內出現數據漏洞。

(2)根據航空攝影測量要求，進行飛行區域的劃分更有利于保持航線的直線性［3］。

(3)飛機保持航線直線性飛行的時間越長，IMU積累的誤差也會變得越大，一般來說，每條航線的直線飛行距離時間不超過30 min［2］。

2 激光發射器參數設定

劃分好各個分區后，就需要對每個分區進行航線設計，在進行航線設計時需要考慮測區的基準面高程、最低點高程、最高點高程、激光點密度、最小重疊度，以及飛機安全高度下的前方和側方安全距離等。

2.1 航測分區的基準面高程

航測分區的基準面高程直接影響到飛機的最低飛行高度。航測分區的基準面高度H基是由航測分區內高點的平均值H高和航測分區內低點的平均值H低來計算的［3］

通常在計算H高時應至少取測區內的10個高點高程的平均值，而H低也至少取測區內的10個低點高程的平均值。

2.2 掃描帶寬

掃描帶寬是指系統掃描時形成的帶狀掃描區域寬度。如圖1所示，θ為系統掃描角，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數

每條掃描線的激光點數LN是由脈沖發射頻率F和掃描頻率f這兩個參數決定的，和飛機飛行高度，飛行速度等無關［1］。

式中F為脈沖發射頻率，f為掃描頻率。

2.4 航向激光點間距(down track)

航向激光點間距Ddown是指沿著飛行方向掃描點之間的距離，對于Z字形掃描，其計算是通過沿著飛行方向的距離和沿著飛行方向的激光點數的比值來實現的。計算公式為

其中，f為掃描頻率，v為飛機飛行速度，t為飛行時間;從上式可以看出航向激光點間距只和飛行速度和掃描頻率有關，和其他參數無關。

2.5 旁向激光點間距(cross track)

旁向激光點間距Dacross為一條掃描線上相鄰激光腳點間距。對于Z字形掃描，掃描帶寬SW與每一條掃描線上的激光腳點個數LN的比值為

式中，SW為掃描帶寬，f為掃描頻率，F為激光脈沖發射頻率，H為飛行高度，θ為掃描角。旁向激光點間距和掃描角、飛行高度、掃描頻率、脈沖發射頻率這四個參數有關。

2.6 考慮重疊度的激光點云密度

在實際攝影測量中，激光腳點的密度通常是由航攝用戶單位提出的。在設計航線時需要根據用戶提出的激光腳點密度來設置其他相應的作業參數，激光腳點的密度直接影響到脈沖發射頻率的選擇。如果想獲取高密度激光腳點，就需要提高激光脈沖頻率。而提高了激光脈沖發射頻率，就需要相應的降低飛機飛行的高度，這樣就會增加航飛的成本。因為飛機飛行高度的降低會導致在相同時間內，以同樣掃描角進行掃描，所掃描的區域面積會減少。

激光腳點密度den為掃描的全部點數N除以實際測量面積S

在計算實際測量面積時應注意的是:由于航帶設計時是有一定的重疊度的，因此在算實際測量面積時應該去除重疊航帶的面積。具體計算公式如下［1］

其中，SW為掃描帶寬。n為設計的航線個數，q為航帶重疊度。

全部激光點數N為激光脈沖頻率F乘于測區飛行時間，即

2.7 不考慮重疊度的激光點云密度

其中，F為脈沖發射頻率，V為飛行速度，H為飛行高度，θ為掃描角，Ddown為航向點間距，Dacross為旁向點間距。

可以看出影響激光點密度因素: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計的航線數量，航線數少，飛行時間少，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，為了能夠保證數碼相機影像重疊度能夠和點云覆蓋面積匹配。一般情況下激光旁向重疊度30%(保證相片旁向能夠重疊)，最小的激光點云的旁向重疊度應該大于15%。同時在航帶設計時要考慮飛機的側方與前方的安全距離。

在實際航跡設計時，在滿足航飛條件的前提下，應該綜合考慮掃描角、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 相機參數設定

設定好激光發射器的相關參數之后，就需要對相機的參數進行設定，下面以DiMAC相機為例，進行相關的參數設定。

DiMAC相機參數設定: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。

需要注意的是每個相機都有自己最小曝光時間的設定，如DiMAC相機的最短曝光時間是不低于3 s。

4 實驗與分析

本次實驗數據為重慶市某縣，該測區以山地為主，測區內山大坡陡，最大高差可以達到1 800m左右。該測區為帶狀的南北走向，測區內地形起伏較大。按照測區分區的原則，劃分成5個分區。表1為該測區其中一個分區的參數設置。

表1 航帶設計參數

具體航線設計以及飛行結果如圖2、圖3所示。

圖2 航帶設計示意

圖3 實際飛行結果

5 結束語

對激光激光雷達航帶設計中激光設備器和相機參數設置以及各參數之間的相互關系進行了分析，對優化航帶設計具有一定的參考價值。通過實際項目的測試，驗證了設計的可行性。在實際航跡設計時，在滿足航飛條件的前提下，應該綜合考慮掃描角、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．機載激光雷達基礎原理與應用［M］．北京:電子工業出版社，2010

［2］GB 19294—2003 航空攝影技術設計規范［S］

［3］王東亮，萬幼川．基于DEM的機載LiDAR航線設計［J］．測繪科學，2011，36(1):117-118