面向測圖的無人機載LiDAR應用研究初探

郝思寶，孫磊，于婷婷

(江蘇省地質測繪院，江蘇 南京 211102)

1 引 言

機載LiDAR系統采用非接觸式測量方式，具有安全、高效、準確等特點[1]，機載LiDAR生成的點云數據信息量大、信息種類豐富，已經成功應用于DEM生產項目中[2，3]。

近年來，隨著技術的發展，以無人機為載體的LiDAR系統日益成熟，無人機載LiDAR系統融合了無人機、三維激光掃描、GNSS以及IMU等新型技術手段，憑借其機動靈活、采集高效等特點，被越來越多的應用于 1∶500地籍，1∶500、 1∶1 000地形大比例尺測圖項目中[4，5]，成為有效的地理空間數據獲取手段。如何根據項目應用特點，獲取滿足大比例尺測圖生產要求的數據，是推動無人機載LiDAR技術深入應用亟須解決的問題。

2 測圖生產對點云數據的要求

目前，針對機載LiDAR數據生產與成果的技術要求，已發布了多個規范與規程。以CH/T 8024-2011《機載激光雷達數據獲取技術規范》(以下簡稱《技術規范》)為例，它包括了機載激光雷達數據獲取基本要求，從技術準備、飛行計劃與實施、數據預處理、數據質量檢查、成果提交等方面做了規定。

但是，現有相關技術規范主要針對傳統航測機載LiDAR設備，飛行器一般為有人駕駛的航測飛機，數據主要為DEM生產服務。而針對無人機載LiDAR系統，面向測圖生產應用的相關技術要求尚未有統一規定。由于設備類型及應用需求的不同，此類成果數據在點云的密度、覆蓋完整性和精度等技術指標要求與現有規范標準必然存在差異，應從測圖生產需求出發，明確生產和成果的技術質量要求。

2.1 點云密度

點云密度是指單位面積內激光點的個數，是刻畫點云精細度的重要指標。不同點云密度呈現物體的細節特征存在差異，從而對測圖成果的完整性和精度產生影響。另一方面，點云密度對數據采集處理效率有重要影響。在生產時，應綜合考慮點云精度、采集效率、處理時間等多方面因素，選擇合適的點云密度指標。

《技術規范》中，從面向DEM生產需求的角度對不同比例尺分幅圖的點云密度進行了規定，其中 1∶500點云密度每平方米不少于16個點，1∶1 000點云密度每平方米不少于4個點[6]。由于生產目的不同，《技術規范》規定的點云密度無法滿足測圖需求。為確定不同比例尺測圖對點云數據密度的要求，本文進行了實驗。實驗中，首先選取包含典型地物的區域，對該區域進行高密度點云數據采集(超過300點/m2)；接著，設置不同的點間距對點云抽稀，得到相應密度的點云數據。不同密度的點云數據如圖1所示。

圖1 不同密度的點云數據

安排同一技術人員，以不同密度的點云數據為基礎，進行測圖作業。從測圖對象的辨識度、測圖完整度以及成果精度等方面對點云的適用性進行評價，最終總結出各類項目點云密度要求如表1所示：

表1 面向測圖的點云密度要求

需要注意的是，在明確點云密度要求的同時，應保證點云均勻分布，避免出現整體滿足密度要求，但局部點云密度不達標的情況。

2.2 覆蓋完整性

覆蓋完整性描述了待測對象在點云數據中的完整程度。不同項目的待測物體不同，對覆蓋完整性要求也有所不同。面向DEM生產時，點云覆蓋完整性主要針對地面點而言，而在面向測圖生產時，點云數據覆蓋完整性不應簡單理解為在正射視圖下地表點云覆蓋是否完整，而是要看被測對象的覆蓋完整性。如在地形地籍項目中，即使正射俯視圖點云覆蓋度很高，但建筑墻體和植被下地面點覆蓋不完整，也會對測圖產生不利影響。不同重疊度的點云數據完整情況如圖2所示。

圖2 不同旁向重疊度的點云數據

在無人機載LiDAR生產航飛設計中，通常采用增加旁向重疊度和設計井字交叉航線的方法提高點云覆蓋完整性。上圖描述不同旁向重疊度的點云數據情況，由圖可知，當旁向重疊度小于30%時，房檐下的墻體不完整，無法準確繪制。通過實驗驗證與項目生產，本文認為在大比例尺測圖項目中，應設計井字航線，同時航線旁向重疊度達到50%或以上，最小不低于40%，確保成果能夠滿足要素覆蓋完整性要求。

2.3 點云精度

《技術規范》中規定了點云數據的高程精度，未對平面精度作要求。大比例尺測圖項目中，需對平面精度和高程精度均作出規定。高程精度可參照《技術規范》，平面精度應根據項目類型，參考相應技術規程執行，其中點云的點位中誤差和間距中誤差不應低于對應技術規范和標準中的相應要求。

由于點云離散的特點，很難準確地找到檢測點所對應的激光腳點，在評定點云精度時，采用如下方法：

(1)平面點位精度

檢查平面點位時，通常選擇具有空間立體特征的規則地物邊界或拐角(如房屋拐角，門墩)等點位作為平面檢查點[7]。采用GNSS或全站儀采集相應點位獲得平面坐標，將點位展繪至點云正射底圖上，通過量取真實點位與檢查點的平面坐標差值，評價平面點位精度。

(2)高程點位精度

檢查高程點位時，一般選擇平坦的水平面(如：操場、房前空地等)。外業采用GPS或全站儀采集高程點位，在精度要求較高的生產項目中，可采用水準儀采集點位[7]。

在檢測時，需要分析誤差產生原因：是由于點云數據質量還是因為在采集造成的，避免產生錯誤結果。

3 無人機載LiDAR航飛設計

明確點云數據的質量要求后，需研究航飛設計的相關參數對點云質量元素的影響，進行高效、合理的航飛設計。

3.1 航飛參數

(1)掃描頻率與最大測距

掃描頻率PRR(Pulse Repetition Rate)指的是激光脈沖發射頻率，發射頻率越高在單位時間內發射的激光點數量越多，因此也有廠家將掃描頻率稱為掃描速度。理論上，掃描頻率(PRR)與掃描最大測距(D)成反比例關系，以RIEGLVUX-1UAV為例，脈沖發射頻率與最大測距關系如表2所示。

表2 VUX-1UAV脈沖發射頻率與測距關系

最大測距與航高及視場角有關，對精度有重要影響。在航飛設計時，應首先確定最大測距，在此基礎上選擇與之適應的掃描頻率。在點云處理時，還會在最大測距范圍內，設置濾波距離，以進一步確保點云質量。

(2)視場角(FOV)

視場角是指掃描范圍邊緣與掃描激光頭構成的夾角。掃描頻率與視場角決定了有效掃描點數，視場角與掃描有效點數的關系為：

有效點數=PRR*FOV/360

理論上，掃描頻率確定的情況下，視場角越大，有效點數越多。但是，在實際作業時，當視場角過大，會造成測距過遠，易產生點云噪聲，影響質量。因此，在無人機載LiDAR測圖生產項目中，視場角通常不大于120°。

(3)飛行高度

飛行高度又稱航高，是航線設計中最重要的參數。飛行高度對掃描成果精度與飛行效率有重要影響。通常情況下，飛行高度越高，效率越高；而飛行高度與點云成果的誤差呈線性關系[8]，飛行高度越高，誤差越大。此外，飛行高度對點云覆蓋完整性也會產生影響。因此，需要平衡成果質量與生產效率的關系，設計合適飛行高度，在滿足精度要求的前提下，提高效率。

(4)掃描線速度與航飛速度

對于旋轉鏡掃描儀而言，掃描線速度即指掃描儀每秒鐘旋轉的圈數，由于掃描儀每旋轉一圈出現1條掃描線，因此，掃描線速度可看作每秒鐘形成掃描線數量。航飛速度是指無人機沿航向方向的飛行的速度。

圖3 掃描腳點在不同方向分布示意

在無人機LiDAR系統中，掃描的方向與航飛方向保持垂直。根據掃描原理可知，掃描線速度與每條掃描線上的點數成反比，與旁向點間距成正比。而在掃描線速度恒定的前提下，航飛速度與航向點間距成正比。因此，掃描線速度與航飛速度共同影響掃描點在航向和旁向的分布。通過改變航飛速度和線速度，可調整航向與旁向點距大小，確保點云均勻分布。

3.2 航飛參數對點云質量的影響

(1)點云密度

點云密度指的是單位面積內掃描點數，理論上，通過計算單位時間內發射的點數與地面掃描帶所覆蓋范圍的面積，即可得到點云密度。

在掃描頻率(PRR)和視場角(α)確定后，可以確定單位時間內的有效掃描點。飛行速度(V飛)和掃描帶寬度(W)又可計算單位時間內的掃描面積，掃描帶寬度可通過航高與視場角計算得到，由此可確定點云密度(B)公式如下：

上述公式可知，對于單條航線，點云頻率、視場角、飛行速度以及航高對點云密度均產生影響。需要注意的是，在實際作業計算點云密度時，需要考慮航帶重疊的影響。

(2)旁向重疊度

旁向重疊度可以看作是相鄰航帶對應地面掃描帶的重疊部分與整個掃描帶的比值。航帶重疊如圖4所示。

圖4 航帶重疊示意

由上可知相鄰航帶重疊部分寬度W重疊為地面掃描帶寬度W1與航寬W2的差值。

W重疊=W1-W2

旁向航帶重疊度為：

由此可知，通過航高、航寬以及視場角可以計算重疊度，可通過改變這些參數以調整旁向重疊度。

(3)點云精度

無人機載LiDAR系統是由掃描儀、IMU和GNSS等多種設備集成而成，其測量精度必定受各組成部分的綜合影響[9]，而距離和角度是影響這些設備精度最重要的因素。反映在航飛參數上，掃描視場角，航飛高度等均對精度產生影響：掃描視場角越大，點云的誤差越大；飛行高度越高，定位誤差越大[10]。此外，點云成果的精度還會受飛行速度、飛行器穩定性、飛行時天氣狀況以及測區電磁狀況等多種要素的綜合影響。應通過實驗對比驗證，比較不同方案中，點云的精度情況，從而為方案選用提供。

3.3 航飛設計步驟

在實施無人機LiDAR項目時，應根據項目特點和質量要求，設定航飛參數。其設計按如下順序確定技術參數：

(1)確定成果質量要求

根據項目要求，明確點云成果的密度、覆蓋完整性以及精度等質量要求。

(2)設定航飛參數

參考上文中航飛參數相關分析結論，設定最大測距、掃描頻率、濾波距離、視場角、掃描頻率、航飛速度等參數。

(3)設計航飛線路

以設定好的航飛參數為基礎，設計航飛線路。在航飛設計中，應規劃好相鄰航線的間距并采用井字航線以提高點云覆蓋。除此以外，在航線設計時還應注意：航線方向、航線長度和起飛前字繞飛航線設計等技術點，以保證成果質量。

3.4 航飛設計計算工具

在總結各航飛設計各參數關系的基礎上，編制了航飛設計計算工具軟件。通過該工具，設計人員可以快速計算點云成果主要指標，為方案設計優化提供便利。航飛設計計算工具界面如圖5所示。

圖5 航飛設計計算工具界面

4 航飛試驗

4.1 試驗目的

為了驗證航飛設計方案及工具的正確性，比較不同航飛方案中，各類參數對點云成果的影響，選取試驗區進行不同設計方案的航飛試驗。綜合評定不同航飛參數條件下，機載激光雷達的掃描效率、點云質量等多種指標，以及相應點云數據對大比例尺測圖項目的適用性。

4.2 航飛設計

本試驗區內地勢平坦，主要以交通、水系、居民地和農田等要素分布為主。試驗統一采用四旋翼無人機搭載多平臺激光雷達測量系統(AS-900HL)，設計了70 m、 100m、 140 m三種不同的航飛高度，對應設置掃描參數和飛行參數。具體參數設置如表3所示。

表3 掃描參數和飛行參數

4.3 質量評定與分析

通過驗證，上述三種方案的點云密度以及覆蓋完整性均能滿足大比例尺測圖要求。重點對點云精度進行評定與分析。

按照上文介紹的點云精度評定方法，選取24個平面檢測點，36個高程檢測點進行精度評定。平面及高程中誤差統計結果如表4所示：

表4 平面及高程中誤差統計

不同架次點云平面與高程誤差分布如圖6、圖7所示。

圖6 平面誤差分布

圖7 高程誤差分布

從平面精度統計表和誤差分布圖可以看出，三架次平面中誤差均在 5 cm以內，最大誤差在 10 cm以內。第一架次(70 m航高)與第二架次(100 m航高)平面精度接近，第三架次(140 m航高)平面精度略低。

從高程精度統計表和誤差分布圖可以看出，三架次高程中誤差均在 5 cm以內，其中最大誤差約 12 cm。與平面統計結果類似，第三架次(140 m航高)平面精度明顯降低。

4.4 測試結論

通過測試得到如下結論：相對航高在 70 m、 100 m以及 140 m時，并采用相應航飛參數得到的點云成果，平面與高程精度均可達到 5 cm，理論上均能夠滿足 1∶500地籍項目、1∶500地形圖和 1∶1 000地形圖等大比例尺測圖數據采集的要求。

5 結 語

本文針對測圖生產需求，分析大比例尺測圖對點云密度、覆蓋完整性以及點云精度等質量要求。研究分析了航飛設計中各參數對點云質量要素的影響，總結了航飛設計工作步驟，編制了航飛設計計算工具，為進行科學設計提供依據。通過項目試驗，得到采用無人機載LiDAR方法，在 140 m以下航高時，點云平面與高程均可達到 5 cm的結論，能夠滿足測圖應用需求，為無人機LiDAR的數據獲取及設計提供了可行的思路。