郝思寶，孫磊，于婷婷

(江蘇省地質(zhì)測繪院，江蘇 南京 211102)

1 引 言

機載LiDAR系統(tǒng)采用非接觸式測量方式，具有安全、高效、準(zhǔn)確等特點[1]，機載LiDAR生成的點云數(shù)據(jù)信息量大、信息種類豐富，已經(jīng)成功應(yīng)用于DEM生產(chǎn)項目中[2，3]。

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，以無人機為載體的LiDAR系統(tǒng)日益成熟，無人機載LiDAR系統(tǒng)融合了無人機、三維激光掃描、GNSS以及IMU等新型技術(shù)手段，憑借其機動靈活、采集高效等特點，被越來越多的應(yīng)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(shù)據(jù)獲取手段。如何根據(jù)項目應(yīng)用特點，獲取滿足大比例尺測圖生產(chǎn)要求的數(shù)據(jù)，是推動無人機載LiDAR技術(shù)深入應(yīng)用亟須解決的問題。

2 測圖生產(chǎn)對點云數(shù)據(jù)的要求

目前，針對機載LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)與成果的技術(shù)要求，已發(fā)布了多個規(guī)范與規(guī)程。以CH/T 8024-2011《機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》)為例，它包括了機載激光雷達數(shù)據(jù)獲取基本要求，從技術(shù)準(zhǔn)備、飛行計劃與實施、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、成果提交等方面做了規(guī)定。

但是，現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范主要針對傳統(tǒng)航測機載LiDAR設(shè)備，飛行器一般為有人駕駛的航測飛機，數(shù)據(jù)主要為DEM生產(chǎn)服務(wù)。而針對無人機載LiDAR系統(tǒng)，面向測圖生產(chǎn)應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)要求尚未有統(tǒng)一規(guī)定。由于設(shè)備類型及應(yīng)用需求的不同，此類成果數(shù)據(jù)在點云的密度、覆蓋完整性和精度等技術(shù)指標(biāo)要求與現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)必然存在差異，應(yīng)從測圖生產(chǎn)需求出發(fā)，明確生產(chǎn)和成果的技術(shù)質(zhì)量要求。

2.1 點云密度

點云密度是指單位面積內(nèi)激光點的個數(shù)，是刻畫點云精細度的重要指標(biāo)。不同點云密度呈現(xiàn)物體的細節(jié)特征存在差異，從而對測圖成果的完整性和精度產(chǎn)生影響。另一方面，點云密度對數(shù)據(jù)采集處理效率有重要影響。在生產(chǎn)時，應(yīng)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(biāo)。

《技術(shù)規(guī)范》中，從面向DEM生產(chǎn)需求的角度對不同比例尺分幅圖的點云密度進行了規(guī)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(chǎn)目的不同，《技術(shù)規(guī)范》規(guī)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(shù)據(jù)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(qū)域，對該區(qū)域進行高密度點云數(shù)據(jù)采集(超過300點/m2)；接著，設(shè)置不同的點間距對點云抽稀，得到相應(yīng)密度的點云數(shù)據(jù)。不同密度的點云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 不同密度的點云數(shù)據(jù)

安排同一技術(shù)人員，以不同密度的點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行測圖作業(yè)。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(jié)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(yīng)保證點云均勻分布，避免出現(xiàn)整體滿足密度要求，但局部點云密度不達標(biāo)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(chǎn)時，點云數(shù)據(jù)覆蓋完整性不應(yīng)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(chǎn)生不利影響。不同重疊度的點云數(shù)據(jù)完整情況如圖2所示。

圖2 不同旁向重疊度的點云數(shù)據(jù)

在無人機載LiDAR生產(chǎn)航飛設(shè)計中，通常采用增加旁向重疊度和設(shè)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(shù)據(jù)情況，由圖可知，當(dāng)旁向重疊度小于30%時，房檐下的墻體不完整，無法準(zhǔn)確繪制。通過實驗驗證與項目生產(chǎn)，本文認為在大比例尺測圖項目中，應(yīng)設(shè)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(shù)規(guī)范》中規(guī)定了點云數(shù)據(jù)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(guī)定。高程精度可參照《技術(shù)規(guī)范》，平面精度應(yīng)根據(jù)項目類型，參考相應(yīng)技術(shù)規(guī)程執(zhí)行，其中點云的點位中誤差和間距中誤差不應(yīng)低于對應(yīng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求。

由于點云離散的特點，很難準(zhǔn)確地找到檢測點所對應(yīng)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(guī)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(yīng)點位獲得平面坐標(biāo)，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(biāo)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(yè)采用GPS或全站儀采集高程點位，在精度要求較高的生產(chǎn)項目中，可采用水準(zhǔn)儀采集點位[7]。

在檢測時，需要分析誤差產(chǎn)生原因：是由于點云數(shù)據(jù)質(zhì)量還是因為在采集造成的，避免產(chǎn)生錯誤結(jié)果。

3 無人機載LiDAR航飛設(shè)計

明確點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求后，需研究航飛設(shè)計的相關(guān)參數(shù)對點云質(zhì)量元素的影響，進行高效、合理的航飛設(shè)計。

3.1 航飛參數(shù)

(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(fā)射頻率，發(fā)射頻率越高在單位時間內(nèi)發(fā)射的激光點數(shù)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(guān)系，以RIEGLVUX-1UAV為例，脈沖發(fā)射頻率與最大測距關(guān)系如表2所示。

表2 VUX-1UAV脈沖發(fā)射頻率與測距關(guān)系

最大測距與航高及視場角有關(guān)，對精度有重要影響。在航飛設(shè)計時，應(yīng)首先確定最大測距，在此基礎(chǔ)上選擇與之適應(yīng)的掃描頻率。在點云處理時，還會在最大測距范圍內(nèi)，設(shè)置濾波距離，以進一步確保點云質(zhì)量。

(2)視場角(FOV)

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

有效點數(shù)=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(shù)越多。但是，在實際作業(yè)時，當(dāng)視場角過大，會造成測距過遠，易產(chǎn)生點云噪聲，影響質(zhì)量。因此，在無人機載LiDAR測圖生產(chǎn)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(shè)計中最重要的參數(shù)。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(guān)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(chǎn)生影響。因此，需要平衡成果質(zhì)量與生產(chǎn)效率的關(guān)系，設(shè)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(zhuǎn)鏡掃描儀而言，掃描線速度即指掃描儀每秒鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，由于掃描儀每旋轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)1條掃描線，因此，掃描線速度可看作每秒鐘形成掃描線數(shù)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(tǒng)中，掃描的方向與航飛方向保持垂直。根據(jù)掃描原理可知，掃描線速度與每條掃描線上的點數(shù)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(diào)整航向與旁向點距大小，確保點云均勻分布。

3.2 航飛參數(shù)對點云質(zhì)量的影響

(1)點云密度

點云密度指的是單位面積內(nèi)掃描點數(shù)，理論上，通過計算單位時間內(nèi)發(fā)射的點數(shù)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)生影響。需要注意的是，在實際作業(yè)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(yīng)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(shù)以調(diào)整旁向重疊度。

(3)點云精度

無人機載LiDAR系統(tǒng)是由掃描儀、IMU和GNSS等多種設(shè)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(shè)備精度最重要的因素。反映在航飛參數(shù)上，掃描視場角，航飛高度等均對精度產(chǎn)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(wěn)定性、飛行時天氣狀況以及測區(qū)電磁狀況等多種要素的綜合影響。應(yīng)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(shè)計步驟

在實施無人機LiDAR項目時，應(yīng)根據(jù)項目特點和質(zhì)量要求，設(shè)定航飛參數(shù)。其設(shè)計按如下順序確定技術(shù)參數(shù)：

(1)確定成果質(zhì)量要求

根據(jù)項目要求，明確點云成果的密度、覆蓋完整性以及精度等質(zhì)量要求。

(2)設(shè)定航飛參數(shù)

參考上文中航飛參數(shù)相關(guān)分析結(jié)論，設(shè)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(shù)。

(3)設(shè)計航飛線路

以設(shè)定好的航飛參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計航飛線路。在航飛設(shè)計中，應(yīng)規(guī)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(shè)計時還應(yīng)注意：航線方向、航線長度和起飛前字繞飛航線設(shè)計等技術(shù)點，以保證成果質(zhì)量。

3.4 航飛設(shè)計計算工具

在總結(jié)各航飛設(shè)計各參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，編制了航飛設(shè)計計算工具軟件。通過該工具，設(shè)計人員可以快速計算點云成果主要指標(biāo)，為方案設(shè)計優(yōu)化提供便利。航飛設(shè)計計算工具界面如圖5所示。

圖5 航飛設(shè)計計算工具界面

4 航飛試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

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

4.2 航飛設(shè)計

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

表3 掃描參數(shù)和飛行參數(shù)

4.3 質(zhì)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(tǒng)計結(jié)果如表4所示：

表4 平面及高程中誤差統(tǒng)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(tǒng)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(nèi)，最大誤差在 10 cm以內(nèi)。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(tǒng)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(nèi)，其中最大誤差約 12 cm。與平面統(tǒng)計結(jié)果類似，第三架次(140 m航高)平面精度明顯降低。

4.4 測試結(jié)論

通過測試得到如下結(jié)論：相對航高在 70 m、 100 m以及 140 m時，并采用相應(yīng)航飛參數(shù)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(shù)據(jù)采集的要求。

5 結(jié) 語

本文針對測圖生產(chǎn)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(zhì)量要求。研究分析了航飛設(shè)計中各參數(shù)對點云質(zhì)量要素的影響，總結(jié)了航飛設(shè)計工作步驟，編制了航飛設(shè)計計算工具，為進行科學(xué)設(shè)計提供依據(jù)。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(jié)論，能夠滿足測圖應(yīng)用需求，為無人機LiDAR的數(shù)據(jù)獲取及設(shè)計提供了可行的思路。