李 騰，施 昆，張 寧

（昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

0 引言

機(jī)載 Lidar（Light Detection and ranging，LiDAR）[1,2]是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是一種快速獲取地面及地物高精度三維信息的一項(xiàng)技術(shù)。基于機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)及其原理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做了大量的研究工作[3-5]。它是集三維激光掃描技術(shù)、高動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)定技術(shù)和高精度的動(dòng)態(tài)GPS差分技術(shù)與一體的探測(cè)技術(shù)。它相較于傳統(tǒng)遙感技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響相對(duì)較小、速度快效率高、能夠輕松穿透植被的葉冠得到地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)等技術(shù)特點(diǎn)[6]，因此可以快速的獲取地物的數(shù)字表面模型，生成高分辨率數(shù)字高程模型[7]，在三維數(shù)據(jù)城市建設(shè)、地形測(cè)繪、森林調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)攝影測(cè)量方法無(wú)法取代的[8]，因此，引起了測(cè)繪行業(yè)的濃厚興趣。

單脈沖作業(yè)模式在地形起伏不大的地區(qū)能夠發(fā)揮較好的效果，在點(diǎn)云密度要求不高的山區(qū)也能發(fā)揮一定作用。當(dāng)點(diǎn)云密度要求每平方米大于1個(gè)點(diǎn)時(shí)，特別是在落差較大的山區(qū)會(huì)受到很大的限制，作業(yè)效率偏低[9]。多脈沖作業(yè)模式的興起能夠很好的提高飛機(jī)的飛行高度降低地形影響，增加點(diǎn)云密度及作業(yè)效率。

1 機(jī)載激光多脈沖技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 機(jī)載激光多脈沖技術(shù)的介紹

一般的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采用的是單脈沖探測(cè)模式，即由激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)物反射后被接收系統(tǒng)收集，根據(jù)激光發(fā)射至接收的時(shí)間間隔t精確計(jì)算并確定目標(biāo)的距離[10-11]。但是單脈沖工作模式激光的發(fā)射只能在前一束激光接收以后后一束激光才能被觸發(fā)，而且其發(fā)射一個(gè)脈沖并要求在單位時(shí)間 T0(1/f)內(nèi)接收其回波信號(hào)，否則視為信號(hào)丟失[12]。

多脈沖探測(cè)技術(shù)通過(guò)允許機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在接收前一束脈沖信號(hào)之前發(fā)射第二束激光脈沖信號(hào)，并且再接收時(shí)不會(huì)將兩束激光回?fù)苄盘?hào)混淆[13]。多脈沖多頻率模式則是在多脈沖的基礎(chǔ)上對(duì)不同的視場(chǎng)角采用不同的采樣頻率。設(shè)視場(chǎng)角 θ，飛機(jī)飛行高度H，激光測(cè)距值D。D=H/COS(θ)對(duì)于大視場(chǎng)角的設(shè)備來(lái)說(shuō)隨著視場(chǎng)角的增大測(cè)距值會(huì)隨之增大。為滿足不同的測(cè)距需求將分為三個(gè)不同的角度19度，28度，35度分別采用不同的發(fā)射頻率。

1.2 機(jī)載LiDAR多脈沖作業(yè)的優(yōu)勢(shì)

（1）在相同的地形及密度條件下多脈沖模式的飛行高度可以比單脈沖模式下的飛行高度提高1-2倍。

（2）突破了傳統(tǒng)單脈沖激光雷達(dá)技術(shù)的限制，多脈沖模式可以實(shí)現(xiàn)跟高的脈沖頻率，在同一高度獲取所需的點(diǎn)密度，能夠達(dá)到傳統(tǒng)覆蓋率的兩倍。

（3）由于飛機(jī)能飛得更高，地形高度變化對(duì)航帶寬的影響會(huì)變小，因此需要較少的側(cè)重疊來(lái)保證完整的區(qū)域覆蓋。

（4）通常較高的飛行高度會(huì)湍流相對(duì)較少，可以更舒適的飛行和減小飛行人員疲勞度。考慮到飛行人員在大區(qū)域任務(wù)的高“任務(wù)周期”，這一點(diǎn)尤其重要。每天都有可能進(jìn)行多次長(zhǎng)時(shí)間(長(zhǎng)達(dá) 7小時(shí))的任務(wù)[14]。

機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)最早由加拿大的Optech公司開(kāi)發(fā)，目前，Leica ALS60、RieglCP680以及中國(guó)的一些公司也已經(jīng)具備該技術(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目對(duì)貴州某地區(qū)的地形數(shù)據(jù)采集工作，測(cè)區(qū)地形包括山區(qū)、平地、丘陵。大部分地區(qū)為山區(qū)，山區(qū)部分地形起伏較大，交通條件一般。根據(jù)技術(shù)要求該攝區(qū)采用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)，獲取相應(yīng)區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云密度大于等于1點(diǎn)/平方米，高程精度優(yōu)于 0.3米。同時(shí)獲取輔助影像數(shù)據(jù)，影像分辨率優(yōu)于0.3 m。

2.2 航攝技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 航高設(shè)計(jì)

綜合考慮點(diǎn)云密度、影像分辨率、精度要求等，攝區(qū)采用lidar進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，點(diǎn)云密度大于等于1點(diǎn)/平方米，高程精度優(yōu)于0.3米，同時(shí)獲取相應(yīng)影像，影像分辨率優(yōu)于0.3 m，參照以上要求，綜合考慮LC-3500型號(hào)機(jī)載LiDAR設(shè)備及配套數(shù)碼相機(jī)性能及攝區(qū)基準(zhǔn)面高度，且有效避開(kāi)航空掃描盲區(qū)。攝區(qū)擬使用LC-3500型號(hào)機(jī)載LiDAR設(shè)備獲取，設(shè)計(jì)航線行相對(duì)高度為1400米。

相對(duì)航高由如下公式計(jì)算：

航高≤2214.7 m

其中h代表相對(duì)航高；f（50.2 mm）代表鏡頭主距；a（6.8 um）代表像元尺寸；GSD（0.3）代表地面分辨率[15]。

2.2.2 點(diǎn)云密度設(shè)計(jì)

隨著技術(shù)的提高，對(duì)作業(yè)精度及密度的要求也不斷增加，為滿足特定的工作需求，設(shè)計(jì)飛行前要計(jì)算點(diǎn)云密度是否滿足項(xiàng)目要求：

設(shè)航線方向的點(diǎn)云間距為D1，單位m，

Fscan是激光掃描頻率，V是飛行器飛行速度，單位米/秒，R是電機(jī)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速單位為轉(zhuǎn)/秒。

垂直于前進(jìn)方向的掃描線上點(diǎn)云間距 D2與掃描點(diǎn)分布有關(guān)，若掃描點(diǎn)間距相等，則D2可以表示為：

所以：

SW 是指地面掃描帶寬飛行速度、H是飛機(jī)飛行相對(duì)高度、FOV指掃描視場(chǎng)角、R是電機(jī)轉(zhuǎn)速。

飛機(jī)飛行速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、飛行航高、激光發(fā)射頻率四個(gè)參數(shù)之間存在矛盾性，設(shè)計(jì)過(guò)程中不能同時(shí)滿足D1、D2相等。為達(dá)到密度要求1 point/m2需D1＜1 m、D2＜1 m。

具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.3 基站選取

基站數(shù)據(jù)采用GNSS+CORS基站數(shù)據(jù)，基站的觀測(cè)時(shí)間應(yīng)該長(zhǎng)于LC-3500的有效作業(yè)時(shí)間，因此要求航飛之前30 min必須架設(shè)好基站并開(kāi)機(jī)，航飛結(jié)束后繼續(xù)觀測(cè)30 min后關(guān)機(jī)。CORS站數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間應(yīng)覆蓋GNSS基站觀測(cè)時(shí)間?；綠PS接收機(jī)的接收頻率一般設(shè)為1 Hz，如果接收機(jī)達(dá)不到1Hz的接收頻率，需要在后處理中進(jìn)行內(nèi)插來(lái)加密采樣間隔。基站儀器高需要量測(cè)二次，并記錄。準(zhǔn)確記錄開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間。

表1 飛行設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Flight design parameters

（1）基站點(diǎn)布設(shè)原則：距離測(cè)區(qū)的邊緣不超過(guò)50 km；檢校場(chǎng)的基站一般要求在15 km以內(nèi)；

（2）基站觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，注意電池電量的保證，一般必須滿足8 h以上的連續(xù)觀測(cè)。存儲(chǔ)卡的容量一般要求8 M以上；

（3）使用雙頻GPS接收機(jī)及高精度配套天線；

（4）觀測(cè)要求：

1. 和機(jī)載GPS同步觀測(cè)；

2. GPS衛(wèi)星高度角≥15°；

3. 有效觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)≥5；

4. GPS接收機(jī)采樣頻率一般要求2 Hz（最小不低于 1 Hz）。

5. 地面基站的高程要達(dá)到四等水準(zhǔn)精度。

6. 觀測(cè)時(shí)要認(rèn)真量取GPS天線高，填寫(xiě)觀測(cè)手簿等相關(guān)資料，GPS天線高的量取，在每個(gè)時(shí)段觀測(cè)前后各量測(cè)兩次天線高，兩次讀數(shù)差不能超過(guò)2 mm，取平均值作為各次的讀數(shù)，前后兩次讀數(shù)差不能超過(guò)3 mm。

2.4 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量控制

激光雷達(dá)設(shè)備的工作對(duì)于飛機(jī)的飛行質(zhì)量是有一定要求的，在進(jìn)行航飛之前，需要攝影員與飛行員進(jìn)行認(rèn)真的溝通和技術(shù)交流，確保飛行員對(duì)于激光雷達(dá)設(shè)備的飛行要求做到理解和掌握。否則，一旦在空中出現(xiàn)問(wèn)題，不但降低了整個(gè)飛行的效率，而且對(duì)最終的數(shù)據(jù)成果質(zhì)量也會(huì)造成不同程度的影響。一般來(lái)說(shuō)，裝載了GPS和IMU的設(shè)備，對(duì)于飛行要求大致如下：

（1）“8”字飛行

由于IMU容易受到累積誤差的影響（如drift），高精度的IMU（如美國(guó)Honeywell的uIRS）可以達(dá)到0.01°/h累計(jì)誤差，低精度的IMU（如德國(guó)iMAR的FSAS）僅可達(dá)到0.5°/h的累計(jì)誤差，但即使最好的 MIU所造成的漂移累計(jì)誤差都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)精度產(chǎn)生影響。因此，裝載了IMU的LiDAR設(shè)備，在每次進(jìn)入測(cè)區(qū)開(kāi)始沿航線飛行前和飛完航線返回機(jī)場(chǎng)前，都必須進(jìn)行IMU初始化飛行，以提高IMU的后處理精度[16]，即：進(jìn)入測(cè)區(qū)進(jìn)行航線飛行前先平飛5 min，然后做“8”字轉(zhuǎn)彎飛行，飛完最后一條航線后，在做“8”字轉(zhuǎn)彎飛行，平飛5 min。

（2）靜態(tài)觀測(cè)

如果測(cè)區(qū)距離機(jī)場(chǎng)很近，飛機(jī)在開(kāi)車(chē)之后，正常啟動(dòng)系統(tǒng)并需要地面靜態(tài)GPS觀測(cè)5 min。飛機(jī)落地后，也需要設(shè)備靜態(tài)GPS觀測(cè)5 min。如果測(cè)區(qū)離機(jī)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，飛機(jī)在飛進(jìn)測(cè)區(qū)的途中飛行時(shí)間在30 min以上，則無(wú)需進(jìn)行地面靜態(tài)觀測(cè)，但要保證飛機(jī)在空中飛行足夠長(zhǎng)的時(shí)間以鎖定GPS衛(wèi)星。

（3）轉(zhuǎn)彎坡度要求

轉(zhuǎn)彎坡度＜22°，最好在15°~20°之間。

（4）航線上飛行姿態(tài)要求

Roll（側(cè)滾角）<5°；

Pitch（俯仰角）<5°；

Heading（航偏角）<20°。

左右航偏距離<75 m，超過(guò)200 m自動(dòng)停止曝光。

上下航偏距離<100 m，超過(guò)300 m自動(dòng)停止曝光。

（5）飛行速度要求

本次選用PC6運(yùn)輸機(jī)執(zhí)行任務(wù)，整個(gè)計(jì)劃的航線飛行速度（對(duì)地速度）在200 km/h左右，速度允許在±20%范圍內(nèi)浮動(dòng)。

2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

對(duì)航攝采集回來(lái)數(shù)據(jù)要立即進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量滿足規(guī)范及項(xiàng)目要求，則需要進(jìn)行歸檔和備份，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問(wèn)題，則需要進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛。需要檢查的數(shù)據(jù)：原始 GPS/IMU數(shù)據(jù)，原始激光數(shù)據(jù)，原始影像數(shù)據(jù)，基站GPS數(shù)據(jù)。檢查的流程和內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

1. GPS/IMU數(shù)據(jù)解壓

利用 POSpac軟件，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓，解壓后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，軟件會(huì)對(duì)GPS/IMU數(shù)據(jù)的整體狀態(tài)做出最終評(píng)估。大于5個(gè)IMU采樣間隔時(shí)間的漏洞會(huì)導(dǎo)致飛行軌跡數(shù)據(jù)的精度嚴(yán)重下降。1個(gè)或者2個(gè)采樣間隔的漏洞可以在后處理中內(nèi)插，數(shù)據(jù)處理仍然可以正常進(jìn)行。

2. 導(dǎo)航文件的精度指標(biāo)

高質(zhì)量的的軌跡文件是保證高質(zhì)量檢校和數(shù)據(jù)點(diǎn)云精度的關(guān)鍵，因此需要嚴(yán)格控制和檢查。POSpac解算后可輸出精度指標(biāo)，供航攝員評(píng)估數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3. 激光數(shù)據(jù)檢查

（1）回波比例：在地表以建筑物、植被、道路為主體的地區(qū)，正常的激光回波比例應(yīng)該在95%以上，部分地區(qū)可以達(dá)到100%。

（2）航線重疊度：檢查航線數(shù)據(jù)的旁向重疊度是否滿足要求。

（3）數(shù)據(jù)完整性：檢查航線中部是否有數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，檢查航線邊緣是否有數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。

4. 影像質(zhì)量

（1）影像數(shù)量：主要檢查影像存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量是否與預(yù)計(jì)拍攝數(shù)量相同，是否存在漏片現(xiàn)象。

（2）影像重疊度：航向重疊是否滿足65%，旁向重疊是否滿足35%。

（3）影像質(zhì)量：檢查影像輻射糾正后色彩亮度、色彩均勻度、分辨率是否正常，影像的CCD像元是否完好，是否存在壞點(diǎn)、壞線等情況。

2.6 精度評(píng)價(jià)

根據(jù)測(cè)區(qū)的范圍以及地形情況將在測(cè)區(qū)布設(shè)三個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)，精度驗(yàn)證區(qū)在距離基站、檢校場(chǎng)較遠(yuǎn)、精度相對(duì)較弱且外業(yè)控制實(shí)施容易的區(qū)域選取，不同精度驗(yàn)證區(qū)應(yīng)選在不同地形條件、不同航線且相距較遠(yuǎn)的區(qū)域。

每個(gè)驗(yàn)證區(qū)選取一幅圖，高程檢核點(diǎn)選取平整路面或?qū)W校操場(chǎng)廣場(chǎng)等，盡量均勻分布一圖幅內(nèi)，平面的檢核點(diǎn)選取高大規(guī)則建筑物。每幅圖測(cè)量點(diǎn)數(shù)不少于20個(gè)。三個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)面積分別為15 km2、10 km2、11 km2，每個(gè)區(qū)選取多檢測(cè)點(diǎn)，保證精度滿足成圖要求，出具精度檢測(cè)報(bào)告。

2.6.1 高程精度評(píng)價(jià)

本次高程精度檢測(cè)共分為三個(gè)區(qū)域，分別分布在攝區(qū)的上中下三個(gè)區(qū)域。高程驗(yàn)證點(diǎn)為平整道路路面及道路交叉口四角（使用儀器 RTK），每隔 50米一個(gè)點(diǎn)。兼顧安全的前提下，盡量選擇道路中線。圖1為其中一個(gè)區(qū)域的道路選擇示意圖。

三個(gè)區(qū)域分別采集 405個(gè)點(diǎn)，205個(gè)點(diǎn)和 410個(gè)點(diǎn)，將驗(yàn)證區(qū)采集的高程點(diǎn)通過(guò)Terrascan與中衛(wèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)平差檢測(cè)，生成激光點(diǎn)云的高程精度報(bào)告。表2為高程精度統(tǒng)計(jì)表，圖2為高程精度檢測(cè)示意圖。

將三個(gè)精度驗(yàn)證區(qū)采集到的高差精度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，并得到各階段所占比例如表3所示。

《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取規(guī)范》要求，1:2000點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差平地0.25 m，丘陵地0.35 m，山地0.85 m，通過(guò)驗(yàn)證得到中部驗(yàn)證區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差0.089 m，上部驗(yàn)證區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差0.135 m，下部驗(yàn)證區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程中誤差0.125 m，滿足1:2000規(guī)范點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程精度要求而且滿足項(xiàng)目要求。

圖1 道路選擇示意圖Fig.1 Road selection diagram

圖2 高程精度檢測(cè)示意圖Fig.2 Elevation accuracy detection diagram

表2 高程精度統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Elevation accuracy statistics

2.7 平面精度

平面驗(yàn)證點(diǎn)為選擇高大廠房的房角、房屋屋脊以及對(duì)應(yīng)的地面高程（使用儀器全站儀）。本次三個(gè)驗(yàn)證區(qū)采集房屋12個(gè)工共采集有效點(diǎn)數(shù)72個(gè)，為方便廠房的辨識(shí)度只加載廠房周?chē)欢ň嚯x的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并擬合出廠房邊界。將擬合出的房屋邊界與實(shí)測(cè)房屋邊界進(jìn)行對(duì)比分析并統(tǒng)計(jì)得到平面誤差值。結(jié)果顯示平面最大誤差值0.538，最小誤差值0.013，中誤差0.218。實(shí)測(cè)點(diǎn)與激光點(diǎn)云對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

表3 高程精度分布（單位cm）Tab.3 Height Accuracy Distribution (in cm)

圖3 實(shí)測(cè)點(diǎn)與激光點(diǎn)云對(duì)比Fig.3 Measured points and laser point cloud contrast

對(duì)所測(cè)得的平面點(diǎn)精度分段統(tǒng)計(jì)，并得到個(gè)階段所占比例如下表（單位cm）：

表4 平面點(diǎn)精度分布Tab.4 flat point accuracy distribution

通過(guò)外業(yè)精度檢測(cè)可知，本次精度評(píng)估中，測(cè)區(qū)高程及重要地物平面點(diǎn)位誤差在兩倍中誤差以內(nèi)數(shù)據(jù)大于95%，點(diǎn)云檢測(cè)精度較高，數(shù)據(jù)可信且滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖多頻率的作業(yè)模式在山區(qū)數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用及精度分析，說(shuō)明了多脈沖模式在山區(qū)數(shù)據(jù)采集的可行性。對(duì)于地形起伏較大的地區(qū)或飛行高度要求較高時(shí)機(jī)載激光單脈沖模式也可以完成，但只能在低脈沖頻率下工作，采集的點(diǎn)云密度相對(duì)較低，難以滿足高精度制圖需求多脈沖模式則可以很好的解決這一問(wèn)題。多脈沖模式雖然具有作業(yè)效率高等更好的優(yōu)勢(shì)，但是在面對(duì)地形欺負(fù)較大的區(qū)域時(shí)，會(huì)受到大氣邊緣區(qū)的影響，如何規(guī)避大氣邊緣區(qū)的影響是必須考慮的問(wèn)題。

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