机载LiDAR航带设计问题探讨

缪志修 黄华平 林国庆 刘建军

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 概述

机载激光雷达航带的设计与传统的航空摄影测量航带设计有一定相似之处，同时又有差别。机载激光雷达航带设计不仅要考虑相机参数的设置，同时还要考虑激光器相关参数的设置。

航带设计是进行航空摄影测量的关键工作，对于获取的数据质量及航飞安全起到十分重要的作用。航带设计主要是依据航空摄影技术规范以及航摄任务书的要求，首先根据航飞区域面积的大小及走向，划分为若干个飞行分区，然后完成每个分区的航带设计。进行航带划分的主要原因有以下几个方面。

(1)如果航飞区域过大，则航区内相对高差也就会越大，由于激光发射脉冲频率和接收高度之间存在一定的关系，当高度超过一定的距离时，激光接收器无法接收到回波信号，最终导致的结果是在航摄区域内出现数据漏洞。

(2)根据航空摄影测量要求，进行飞行区域的划分更有利于保持航线的直线性［3］。

(3)飞机保持航线直线性飞行的时间越长，IMU积累的误差也会变得越大，一般来说，每条航线的直线飞行距离时间不超过30 min［2］。

2 激光发射器参数设定

划分好各个分区后，就需要对每个分区进行航线设计，在进行航线设计时需要考虑测区的基准面高程、最低点高程、最高点高程、激光点密度、最小重叠度，以及飞机安全高度下的前方和侧方安全距离等。

2.1 航测分区的基准面高程

航测分区的基准面高程直接影响到飞机的最低飞行高度。航测分区的基准面高度H基是由航测分区内高点的平均值H高和航测分区内低点的平均值H低来计算的［3］

通常在计算H高时应至少取测区内的10个高点高程的平均值，而H低也至少取测区内的10个低点高程的平均值。

2.2 扫描带宽

扫描带宽是指系统扫描时形成的带状扫描区域宽度。如图1所示，θ为系统扫描角，H为飞行高度，则

图1 扫描带宽

2.3 每条扫描线上的激光点数

每条扫描线的激光点数LN是由脉冲发射频率F和扫描频率f这两个参数决定的，和飞机飞行高度，飞行速度等无关［1］。

式中F为脉冲发射频率，f为扫描频率。

2.4 航向激光点间距(down track)

航向激光点间距Ddown是指沿着飞行方向扫描点之间的距离，对于Z字形扫描，其计算是通过沿着飞行方向的距离和沿着飞行方向的激光点数的比值来实现的。计算公式为

其中，f为扫描频率，v为飞机飞行速度，t为飞行时间;从上式可以看出航向激光点间距只和飞行速度和扫描频率有关，和其他参数无关。

2.5 旁向激光点间距(cross track)

旁向激光点间距Dacross为一条扫描线上相邻激光脚点间距。对于Z字形扫描，扫描带宽SW与每一条扫描线上的激光脚点个数LN的比值为

式中，SW为扫描带宽，f为扫描频率，F为激光脉冲发射频率，H为飞行高度，θ为扫描角。旁向激光点间距和扫描角、飞行高度、扫描频率、脉冲发射频率这四个参数有关。

2.6 考虑重叠度的激光点云密度

在实际摄影测量中，激光脚点的密度通常是由航摄用户单位提出的。在设计航线时需要根据用户提出的激光脚点密度来设置其他相应的作业参数，激光脚点的密度直接影响到脉冲发射频率的选择。如果想获取高密度激光脚点，就需要提高激光脉冲频率。而提高了激光脉冲发射频率，就需要相应的降低飞机飞行的高度，这样就会增加航飞的成本。因为飞机飞行高度的降低会导致在相同时间内，以同样扫描角进行扫描，所扫描的区域面积会减少。

激光脚点密度den为扫描的全部点数N除以实际测量面积S

在计算实际测量面积时应注意的是:由于航带设计时是有一定的重叠度的，因此在算实际测量面积时应该去除重叠航带的面积。具体计算公式如下［1］

其中，SW为扫描带宽。n为设计的航线个数，q为航带重叠度。

全部激光点数N为激光脉冲频率F乘于测区飞行时间，即

2.7 不考虑重叠度的激光点云密度

其中，F为脉冲发射频率，V为飞行速度，H为飞行高度，θ为扫描角，Ddown为航向点间距，Dacross为旁向点间距。

可以看出影响激光点密度因素:高度、脉冲频率、扫描角、飞行速度。

在飞行高度一定，以及激光点密度一定的情况下，影响飞行成本的主要因素有:飞行速度、扫描角以及重叠度。其中扫描角和重叠度主要影响设计的航线数量，航线数少，飞行时间少，成本低。在飞行速度和扫描角之间，为了使成本最低，一般是降低飞行速度，增加扫描角。同时，为了能够保证数码相机影像重叠度能够和点云覆盖面积匹配。一般情况下激光旁向重叠度30%(保证相片旁向能够重叠)，最小的激光点云的旁向重叠度应该大于15%。同时在航带设计时要考虑飞机的侧方与前方的安全距离。

在实际航迹设计时，在满足航飞条件的前提下，应该综合考虑扫描角、扫描频率、飞行速度、飞行高度、使用单脉冲还是多脉冲等综合因素，使得航飞成本最低。

3 相机参数设定

设定好激光发射器的相关参数之后，就需要对相机的参数进行设定，下面以DiMAC相机为例，进行相关的参数设定。

DiMAC相机参数设定:CCD像素大小为8 984μm×6 732μm，像素大小为6μm，镜头焦距为70 mm。则CCD面积为53.9 mm×40.4 mm。

需要注意的是每个相机都有自己最小曝光时间的设定，如DiMAC相机的最短曝光时间是不低于3 s。

4 实验与分析

本次实验数据为重庆市某县，该测区以山地为主，测区内山大坡陡，最大高差可以达到1 800m左右。该测区为带状的南北走向，测区内地形起伏较大。按照测区分区的原则，划分成5个分区。表1为该测区其中一个分区的参数设置。

表1 航带设计参数

具体航线设计以及飞行结果如图2、图3所示。

图2 航带设计示意

图3 实际飞行结果

5 结束语

对激光激光雷达航带设计中激光设备器和相机参数设置以及各参数之间的相互关系进行了分析，对优化航带设计具有一定的参考价值。通过实际项目的测试，验证了设计的可行性。在实际航迹设计时，在满足航飞条件的前提下，应该综合考虑扫描角、扫描频率、飞行速度、飞行高度、使用单脉冲还是多脉冲等综合因素，使得航飞成本最低。

［1］赖旭东．机载激光雷达基础原理与应用［M］．北京:电子工业出版社，2010

［2］GB 19294—2003 航空摄影技术设计规范［S］

［3］王东亮，万幼川．基于DEM的机载LiDAR航线设计［J］．测绘科学，2011，36(1):117-118