機載LiDAR點云數據密度的影響因素研究

金振振 靳海亮 李志杰 黃兵

摘 要：機載激光雷達獲取的點云數據是分布于對象表面的三維坐標點，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非常顯著的區別。點云密度作為點云數據質量評價體系中的一項重要指標，研究其影響因素以幫助項目進行合理的設計實施，既能提高點云產品質量，又能幫助提高掃描作業的效率，節約工程成本。本文通過總結大量的工程應用實例，結合已有的科研成果，綜合分析了能夠影響機載LiDAR點云密度的主要因素。

關鍵詞：機載LiDAR；點云密度；數據質量；影響因素

1 密度影響因素

1.1 激光掃描儀的選擇及預設

激光掃描儀是機載LiDAR系統的核心。機載LiDAR自1995年開始商業化后，目前已有眾多廠商生產機載激光掃描儀，可選擇的型號超過30多種。機載LIDAR技術的硬件集成和數據后處理系統的開發方面發展迅速，依據不同用途和設計思想，掃描儀的特性也有所不同。能夠對點云密度造成影響的主要表現在掃描方式和脈沖重復頻率。不同的掃描方式是造成掃描條帶中數據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、旋轉棱鏡掃描。在掃描作業前需要對脈沖頻率進行預設，如今最先進的激光掃描儀的掃描頻率可以達到22萬點/秒，需要根據點云密度需求設置合適的頻率。

1.2 激光掃描儀自身不穩定性

儀器自身的不穩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、掃描鏡轉動的微小震動、掃描電機的非勻速旋轉、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定發射帶來一定的影響。激光的不穩定發射必定會給激光點云的數目造成一定的影響，但如果其偏差若保持在一定的范圍之內時，適當的調整預設參數即可滿足所需的點云密度要求。

1.3 飛機的飛行高度

LiDAR系統的每秒發射的激光脈沖數目（脈沖頻率）和掃描頻率為固定值，則一定時間內所發射的激光束數目是固定的，不考慮多次回波的情況時，獲取的點云數目也應該是一定的。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，所以其點云量也應該是固定的，以此類推，整個航帶掃描獲取的點云數都與飛行高度無關。

掃描帶寬SW圖

掃描帶寬（SW）是指系統掃描時形成的帶狀掃描區域的寬度，運用三角函數關系可得公式SW=2H tan（θ/2），由該式可以了解到當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，就要考慮適當的降低飛行高度。

1.4 搭載平臺的飛行速度及六個外方位元素的影響

機載激光雷達的理想測量狀態要求飛機按規劃航線勻速直線飛行，這樣獲得的掃描點云分布較規則、密度較均勻，采樣質量最優。激光雷達的脈沖重復頻率固定后，當飛行速度越慢，獲得的點云就會更加密集。但飛機在實際飛行中，由于條件的限制，飛行狀態不平穩會產生較強烈而復雜的振動，很難保持理想的勻速直線飛行狀態，存在飛行軌跡和姿態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，同時其他局部區域密度顯著降低。

1.5 掃描地區的地形、地物

由于目標物體有不同的物理特性，當激光信號到達目標地物時就有不同的反射信號，反射程度也就不同，當信號發生漫發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、地貌的復雜多樣，地表的坡度、表面材質和顏色、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 飛行季節及天氣狀況

激光雖然具有良好的穿透性，但是探測質量（距離、強度）與季節和天氣狀況密切相關，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。所以激光測量應選在晴朗少云的天氣進行，這樣衰減較小、干擾因素較少，傳播距離較遠而精確。

2 結語

本文探討了機載LiDAR系統的產物之一——點云數據，針對其密度的影響因素進行了全面的分析，研究的結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經驗進行航測設計的盲目性，能夠在掃描儀的選擇和參數設置、布置航飛作業、輔助質量評價、找出密度問題原因、尋求補償措施中起到一定的參考和指導意義。

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