繆志修，趙 龍

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

機(jī)載LiDAR航線規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

繆志修，趙 龍

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

航線設(shè)計(jì)是機(jī)載LiDAR航飛過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，而傳統(tǒng)航線設(shè)計(jì)方法沒(méi)有考慮地形信息，也就無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出航線的掃描范圍，在高山區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)航攝漏洞的情況。在深入研究機(jī)載LiDAR航線設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一套基于DEM的機(jī)載LiDAR航線規(guī)劃系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，文中系統(tǒng)不僅能夠計(jì)算出最優(yōu)的航線飛行方案，同時(shí)能夠根據(jù)DEM實(shí)時(shí)查看設(shè)計(jì)航線的覆蓋范圍。

機(jī)載LiDAR；航線；自動(dòng)優(yōu)化；漏洞查詢

目前，機(jī)載LiDAR航線規(guī)劃軟件都是由硬件廠家自帶，如Leica的FPES，Optech 的ALTM航帶設(shè)計(jì)軟件。這些軟件算法都是不公開(kāi)的，各軟件中通用性差，且沒(méi)有充分考慮地形起伏對(duì)最終獲取數(shù)據(jù)的有效覆蓋面積的影響，會(huì)出現(xiàn)攝影漏洞情況。為避免航帶設(shè)計(jì)造成攝影漏洞一般都是增加旁向重疊度，造成了飛行效率的降低，增加了攝影成本。本文結(jié)合單位生產(chǎn)實(shí)際，開(kāi)發(fā)一款基于DEM的航帶設(shè)計(jì)輔助軟件，該軟件不僅能夠?qū)y(cè)區(qū)的航線進(jìn)行自動(dòng)的優(yōu)化得到最佳航向角，同時(shí)能夠自動(dòng)計(jì)算每條航線的真實(shí)覆蓋范圍。

1 功能模塊設(shè)計(jì)

本文航線設(shè)計(jì)的功能模塊如圖1所示。

圖1 LiDAR航線設(shè)計(jì)模塊

1.1 數(shù)據(jù)加載

該軟件使用的DEM地形數(shù)據(jù)為SRTM上下載的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式有.asc，tif等格式。加載后DEM的顯示方式按高程顯示顏色。加載測(cè)區(qū)范圍數(shù)據(jù)為.dxf格式。

1.2 航線自動(dòng)優(yōu)化

根據(jù)測(cè)區(qū)的范圍自動(dòng)調(diào)整航線，使測(cè)區(qū)內(nèi)的航線飛行時(shí)間最短。

1.3 航線編輯

在航線設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)需要對(duì)所設(shè)計(jì)的航線進(jìn)行調(diào)整，在調(diào)整結(jié)點(diǎn)時(shí)，軟件能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)相應(yīng)地改變航線的位置、長(zhǎng)度、航線數(shù)以及飛行時(shí)間等信息。

1.4 激光及相機(jī)參數(shù)計(jì)算

通過(guò)計(jì)算測(cè)區(qū)內(nèi)的激光平均點(diǎn)間距和影像分辨率，可以判讀該設(shè)計(jì)的航線是否滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)書的要求，如果不滿足，要相應(yīng)地改變脈沖頻率、飛行速度、掃描角及飛行高度等參數(shù)。

1.5 航線漏洞查詢模塊

通過(guò)設(shè)計(jì)的航線在DEM上的投影，可以直觀地查看該測(cè)區(qū)的航線是否存在漏洞，以及是否設(shè)計(jì)的航線過(guò)于保守等，來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)、最高效的航線。航線漏洞查詢的原理是根據(jù)實(shí)時(shí)掃描帶寬與航線間距的大小進(jìn)行的。

1.6 結(jié)果統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)導(dǎo)出

對(duì)設(shè)計(jì)好的航線，導(dǎo)出航線經(jīng)緯度信息以及航線長(zhǎng)度、飛行面積、飛行時(shí)間等信息數(shù)據(jù)供機(jī)長(zhǎng)和LiDAR航攝員使用。

1.7 飛機(jī)安全提示

通過(guò)計(jì)算每條航線的前方及側(cè)方的最高點(diǎn)高程，來(lái)判斷飛機(jī)飛行是否安全。如果不滿足安全要求，將給出提示。對(duì)于運(yùn)5或是運(yùn)12，要保證飛機(jī)的飛行安全，一般是要求飛機(jī)前方安全距離在4 km以上，側(cè)方在3 km以上。所謂的安全距離，一般是飛機(jī)離測(cè)區(qū)內(nèi)地形的最高處大于400 m。

2 航線設(shè)計(jì)步驟及航線坐標(biāo)計(jì)算

2.1 航線設(shè)計(jì)步驟

機(jī)載LiDAR航線設(shè)計(jì)的一般步驟如下：

1)加載測(cè)區(qū)DEM數(shù)據(jù)。

2)加載測(cè)區(qū)范圍數(shù)據(jù)。

3)根據(jù)測(cè)區(qū)面積及測(cè)區(qū)內(nèi)地形情況進(jìn)行合理的分區(qū)。

4)根據(jù)航飛任務(wù)書的要求對(duì)每個(gè)分區(qū)進(jìn)行航線參數(shù)的設(shè)置。

5)根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行航線的優(yōu)化。

6)對(duì)優(yōu)化后的航線進(jìn)行漏洞查詢。

7)查看設(shè)計(jì)的航線是否滿足飛機(jī)飛行安全。

8)導(dǎo)出所有分區(qū)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 航線坐標(biāo)計(jì)算

在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)航飛區(qū)域的飛行范圍，進(jìn)行最優(yōu)航向角的計(jì)算。計(jì)算原理是通過(guò)計(jì)算最短的飛行時(shí)間(激光發(fā)射時(shí)間加上飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)間)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在得到飛機(jī)飛行的航向角后就可以進(jìn)行航線坐標(biāo)位置的計(jì)算，計(jì)算方法如下：

1) 首先通過(guò)高斯正算將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)成平面坐標(biāo)。

2) 找到飛行測(cè)區(qū)范圍中最大X值(東坐標(biāo))、最小X值、最大Y值(北坐標(biāo))和最小Y值。然后以Y值最大的一個(gè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，以航向角作為斜率，計(jì)算這條直線與其它多邊形邊的交點(diǎn)。需要注意的是這些交點(diǎn)中有些是不在多邊形線段內(nèi)的，而是在多邊形邊的延長(zhǎng)線上。在這些計(jì)算得到的交點(diǎn)中，保留多邊形邊內(nèi)的點(diǎn)，舍棄多邊形邊延長(zhǎng)線上的點(diǎn)。一點(diǎn)是在線段內(nèi)還是線段外，可以通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)到線段兩端點(diǎn)的距離之和是否和線段的長(zhǎng)度一致來(lái)判斷，如果相等則在線段內(nèi)，不等則在線段的延長(zhǎng)線上。

3) 根據(jù)機(jī)載LiDAR的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出航線的間距。下一條航線端點(diǎn)的計(jì)算是根據(jù)航向角以及航線間距進(jìn)行計(jì)算。同理保留多邊形邊內(nèi)的點(diǎn)，舍棄多邊形邊延長(zhǎng)線上的點(diǎn)。

4) 航線退出的條件是：這條航線與多邊形線段內(nèi)的交點(diǎn)個(gè)數(shù)為0，即沒(méi)有任何交點(diǎn)在線段內(nèi)即可退出。

3 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

本文根據(jù)設(shè)計(jì)的算法，采用C#和面向?qū)ο髨D形渲染引擎OGRE庫(kù)，對(duì)航線規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行編程與實(shí)現(xiàn)。圖2為加載DEM與測(cè)區(qū)范圍數(shù)據(jù)的顯示效果。其中DEM顏色按高程值顯示(紅色代表高程高的地方，藍(lán)色代表高程低的地方)。

根據(jù)航線任務(wù)設(shè)計(jì)書中的要求，對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行分區(qū)，并計(jì)算出每個(gè)測(cè)區(qū)的最優(yōu)航線，圖3、圖4為設(shè)計(jì)的結(jié)果圖。

圖5、圖6為航線漏洞查詢模塊的實(shí)現(xiàn)。從圖中可以看出設(shè)計(jì)的航線在DEM高程高的地方出現(xiàn)漏洞(如圖中箭頭所指示地方)，而在高程低的地方的重疊度覆蓋較大。因此需要重新對(duì)航線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 顯示地形和測(cè)區(qū)范圍數(shù)據(jù)

圖3 計(jì)算出的最優(yōu)航線

圖4 計(jì)算出的最優(yōu)航線(不顯示DEM)

圖5 機(jī)載LiDAR漏洞查詢

圖6 機(jī)載LiDAR漏洞查詢(不顯示DEM)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)需要開(kāi)發(fā)了機(jī)載航帶設(shè)計(jì)軟件，該軟件能夠按照設(shè)計(jì)書的要求計(jì)算出激光及相機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果，同時(shí)能夠根據(jù)航飛范圍自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)的航線，并能夠?qū)υO(shè)計(jì)出的航線進(jìn)行航線漏洞的查詢。另外該軟件能夠?qū)γ織l航線進(jìn)行安全提示，保證飛機(jī)飛行的安全。

[1]賴旭東.機(jī)載激光雷達(dá)基礎(chǔ)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]國(guó)家測(cè)繪地理信息局.CH/T8024-2011機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范[S].北京：測(cè)繪出版社，2012.

[3]中國(guó)民用航空局.GB19294-2003 航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[4]繆志修,黃華平,林國(guó)慶,等.機(jī)載LiDAR航帶設(shè)計(jì)問(wèn)題探討[J].鐵道勘察,2012(2)：20-22.

[5]程壘.國(guó)產(chǎn)AOE機(jī)載激光雷達(dá)飛行作業(yè)技術(shù)研究[D].青島：山東科技大學(xué),2008.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Design and realization of airborne LiDAR route planning system

MIAO Zhi-xiu，ZHAO Long

(China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd，Chengdu 610031，China)

Airborne LiDAR route design is an important part of the aircraft flying process. While the traditional design methods do not consider the terrain information，it can not accurately calculate the scan range routes，and in mountainous areas aerial vulnerability may appear.Based on in-depth study of airborne LiDAR route design principle，an airborne LiDAR route planning system is proposed based on DEM.Experiments show that the system is not only able to calculate the optimal route flight plan but to view real-time coverage of the design routes based on DEM.

airborne LiDAR;route;automatic optimization;loophole inquiry

2014-04-03

繆志修(1985-)，男，工程師，研究方向：地理信息系統(tǒng)及LiDAR數(shù)據(jù)處理應(yīng)用與開(kāi)發(fā).

P231

A

1671-4679(2014)05-0011-04