轻小型机载LiDAR的航线设计

李佳俊， 钟若飞

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048； 2.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100048)

轻小型机载LiDAR的航线设计

李佳俊1,2， 钟若飞1,2

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院,北京 100048； 2.首都师范大学三维信息获取与应用教育部重点实验室,北京 100048)

为研究轻小型机载LiDAR的航线设计，以VUX-1型激光扫描仪为例，计算多周期回波(multi time around,MTA)对飞机作业高度的限制； 根据要求的点云密度、扫描频率、扫描线速度等指标，依照航空摄影测量原理以及机载LiDAR数据获取规范，从中区别机载LiDAR与传统摄影测量学的不同，并借鉴机载LiDAR的数据采集方式与传统挂载专业相机的摄影测量的相似之处，判定在不同情形下激光的测距变化(例如测区内不同类型的目标反射率不同或大气能见度不同导致的最远测距能力的变化等)； 在考虑以上问题基础上，对机载LiDAR系统进行航线设计； 最后分别对比旁向点间距和航向点间距的误差，分析其原因并判定该航线设计方案的可行性。

机载LiDAR； 点云； 重叠率； 多周期回波(MTA)； 航线设计； 测距范围

0 引言

带有同步影像数据采集的机载激光雷达(airborne LiDAR)系统能够有效地获取地表的色彩、纹理以及三维信息。合理的飞行计划能够确保数据质量达到预期的效果。然而，预期的数据质量会因飞行参数(飞行高度、飞行速度、飞行方向等)和扫描仪参数[1](扫描角度、扫描频率等)的变化而改变。随着我国《机载激光雷达数据获取规范》的颁布以及国内外激光扫描仪生产工艺水平的不断提高，如何设计好飞行方案以获取符合要求的数据，已经成为亟待解决的问题。

目前，国内外地面站(ground control station)的控制软件有很多，例如我国的成都纵横自动化技术有限公司JAC AP-100无人机飞控与导航系统是一款超小型、低功耗、高度集成、全功能的无人机飞行控制与导航系统。该软件提供了丰富的菜单用于数据显示、系统设置、操作控制和地图操作等。类似的还有桂林飞宇电子科技有限公司的地面站软件FYGCS3.0。最近兴起的大疆公司与零度公司也推出了自己的地面控制站系统，大疆公司的PC Ground Station的界面设计更加人性化，而且具备谷歌3D地图视角等； 零度公司也推出了自己的地面控制站YS-GCS，与大疆公司一样也将谷歌地图融入进来，并且还有基于安卓系统和苹果系统的手机控制端。美国UAV Flight System公司的产品AP40和AP50自动驾驶仪地面控制站软件Ground Pilot是基于Windows开发的、适用于AP40和AP50自动驾驶仪的一款软件产品，该软件能将无人机图形化显示，在地图区域能集成显示无人机位置与飞行航线。开源项目Open Pilot则提供了社会成本低、但功能强大的稳定和自动驾驶仪平台，它是一个开放的试验平台，支持直升机和固定翼飞机。另外，国外的软件还有ASCOT,CCNS4等。天宝和Rigel等公司也推出了诸如Trimble Tablet Rugged PC类型的地面站软件。

但上述地面站软件中大多只具备常规的航线设计功能，少部分只支持传统的相机航线设计，几乎没有针对激光扫描仪这一新型传感器的航线设计。此外，国内外的大多数学者主要就LiDAR整体扫描带宽等进行了有关重叠度的分析，很少对激光扫描仪的每一个采集的激光脚点进行详细分析。本文主要针对具有多周期回波(multi time around, MTA)技术的激光扫描仪，结合机载平台(例如飞机的侧滚角以及连续脉冲之间的角度增量对激光测距的影响)进行详细分析，最终通过计算不同参数间的关系制定合理的航线设计方案。

1 MTA处理技术

1.1 MTA测距原理

MTA测距是通过测量激光往返多个周期累计时间求平均的一种方法。即发射系统发射光脉冲时, 从发射时刻开始计数，接收系统接收到回波光信号后不关闭计数器, 而是经过固定延时后再去触发发射光脉冲； 这样，发射→接收→延时→再次发射就形成了周期振荡信号。经过多个周期后, 关闭计数器； 把多个周期的计数值减去多个周期的延时后取平均, 即得到光脉冲往返一次所需时间[2]。将所得的时间代入式(1)，得到目标的距离，即

d=ct/2，

(1)

式中：t为往返时间差； c为光速；d为距离。

1.2 MTA的分区原则

MTA处理技术能够定位处于本次测距周期之后几个周期内的目标回波信号。根据扫描仪扫描频率的不同，每个测量周期的测距范围也会发生相应的变化。一般情况如图1所示。

(T为发射器发射的脉冲信号； O为测量起始点(相当于距离是0)； E为目标物反射的回波信号。)

从图1可以看出，激光发射器连续发出的2个脉冲T1与T2分别对应接收器所接收到的目标回波E1.1和E2.1，脉冲和目标回波都处于同一个测量周期内。在这种情况下，无需MTA技术的处理就能够判别目标和扫描仪发射器之间的距离。但有时目标距离激光发射器太远，以至于目标回波不能在本测量周期之内被接收端接收到，如图1所示，目标回波E1.2和第一个脉冲T1没有处于同一个测量周期，这种情况需要通过MTA处理才能判断目标回波在第二个测量周期内[3]。由此可以定义： 如果目标回波与激光发射器的脉冲处于同一个测量周期内，称作MTA 1区； 如果目标回波在激光发射器脉冲的下一个测量周期内，称作MTA 2区； 如果目标回波在激光发射器脉冲之后的第二个测量周期出现，则称作MTA 3区(图2)； …，依此类推。

图2 MTA 的分区

1.3 扫描频率对MTA的影响

MTA处理技术可以测量距离更远的目标，但因每个MTA区的脉冲测量周期都相同，这就要对激光扫描仪的操作有如下限制：

1)所有出现的目标回波都应处于所设置的MTA区域内。

2)目标回波不能出现在后几个测量周期的发射器脉冲发射之前。

3)高电压通道的强烈回波不能被下一个测量周期的脉冲覆盖。

为了在不能满足上述3个条件时扫描仪仍能获取到有效数据[4]，扫描仪的频率要相互轮流交替[5]，这样会导致相连续的2个脉冲的测量周期也同样发生变化(图3)。

(rA为改善后较大的测距范围； rB为改善后较小的测距范围； rREF为原有的测距范围； △r为最小测距距离。)

图3中：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：PRRREF为激光扫描频率；PRRMIN为最小激光扫描频率；PRRMAX为最大激光扫描频率；PRRA等同于PRRMIN；PRRB等同于PRRMAX。

以VUX-1型激光扫描仪为例，假设扫描频率PRRREF=380 kHz，最小测量距离△r=3 m代入式(2)―(5)分别得到

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

由于MTA的3个条件的限制，以及扫描频率的交替变化，MTA区域的扫描范围定义为

rMTA_ZONE_1_MIN=rMIN=3 m，

(11)

rMTA_ZONE_1_MAX=rB-rOFFSET，

(12)

rMTA_ZONE_2_MIN=rA，

(13)

rMTA_ZONE_2_MAX=rA+rB-rOFFSET，

(14)

式中：rMTA_ZONE_1_MIN为MTA 1区最小测距值；rMTA_ZONE_1_MAX为MTA 1区最大测距值；rOFFSET为发脉器脉冲与测距起始点的距离，此处假设其值为1.5m(图4)；rMTA_ZONE_2_MIN为MTA 2区最小测距值；rMTA_ZONE_2_MAX为MTA 2区最大测距值(图5)。

图4 MTA 1区测距范围的计算

图5 MTA 2区测距范围的计算

MTA 1区域的最小测距值是由VUX-1的最小测距范围确定的，MTA 1区域的最大测距值是由2个连续测量周期的最小测距范围(即rB)确定的。MTA 2区域的最小测距值是由2个连续测量周期的最大测量范围(即rA)确定的，MTA 2区域的最大测距值是由两个相邻的测距周期测距范围之和(即rA+rB)确定的。MTA 1与MTA 2的分区界限值如图6所示。

图6 MTA分区界限值示意图

MTA在不同频率下的界限值见表1。

表1 MTA在不同频率下的界限值

①N/A表示“不适用”，就是在此频率下不涉及到第二区。

2 航线设计

2.1 测区划分原则

在飞行作业之前，应当按照地形的类别以及小范围内高度落差，对整个测区进行多个区域的划分。具体要求如下：

1)航线敷设和划分分区时，应根据IMU误差积累的指标确定每条航线的直线飞行时间。

2)飞行高度的确定应综合考虑点云密度和精度要求、激光有效距离及飞行安全的要求，同时应考虑激光对人眼的安全性要求。

3)分区应基于激光有效距离及地形起伏等情况进行设计，应考虑基站布设情况以及测区跨带等问题。

4)平坦地区航线旁向重叠度设计以达到20%为宜(最少为13%)，应保证在飞行倾斜姿态变化较大情况下不产生数据覆盖漏洞，在丘陵地和山区设计时应当适当加大旁向重叠度； 航向起始和结束应超出半个扫描带宽度，旁向应超出半个扫描带宽度[6](超出部分控制在500～2 000 m之间)。

2.2 相关参数确定

一般情况下，扫描仪的安装要保证其扫描方向与飞机前进方向几乎垂直，对测区进行条带式扫描。每个相邻的扫描带之间要保证有一定的重叠部分，这需要在飞行之前根据测区的地形等因素制定出合理的重叠度，确保所有的扫描带最终能够拼接成1景完整的点云图像[7-8]。图7示出3条连续采集的扫描带，每条扫描带之间的重叠率为25%，箭头所指的方向为飞机飞行的方向，红点斜虚线表示每1 s的扫描线。由于飞机在扫描的同时还在向前飞行，导致扫描线并不会完全垂直于飞机飞行的方向。

(bS为航带覆盖旁向长度； bA为相邻航线间距； overlap为重叠区域宽度； k为扫描线倾斜因子； △l为相邻扫描线间距；△b(△θ)为角增量等于△θ时相邻两点的点间距；箭头所指的方向为飞机飞行的方向； 红点

图8示出需求解的相关参数。

(θS为扫描仪的初始扫描角度； △θ为相邻脉冲之间的扫描角度增量； ΔθSCAN为扫描角度范围； bS为扫描带宽； h为飞机的飞行高度。)

1)扫描带宽度。假设飞机飞行在地面之上的一个恒定的高度(h)，扫描仪的初始扫描角度设为θS，相邻脉冲之间的扫描角度增量为△θ，扫描角度范围(等同于视场角)设为△θSCAN，则设扫描带宽bS为

(15)

2)航带间距。设扫描带重叠率为ov，相邻扫描带中心线间距(航带间距)为bA，则

(16)

由于VUX-1型激光扫描仪的旋转棱镜只有1个面[8]，每旋转360°出现1条扫描线，并且规定其扫描视场角最大为330°，因此设最大扫描角度范围为△θSCAN，MAX=330°。因考虑到地面假设是理想的平面，故只针对于0°<△θSCAN<180°范围内的角度进行计算。很显然，在起始角度和结束角度的相邻脉冲点间距最大，在扫描范围中心线的相邻脉冲点间距最小。

3)激光脚点间距(旁向)。设在角度等于θ处的点间距为△b(θ)，则有

(17)

初始扫描角θS的相邻脉冲点间距最大，在扫描范围中心线(θS=90°)的点间距最小。

最大点间距的求解公式为

(18)

最小点间距(θS=90°)的求解公式为

△bMIN(△θ)=htan(△θ)；

(19)

平均点间距(△bAVG)的求解公式为

(20)

为了安全起见，应当保证最大点间距也符合方案所要求的△b，其求解公式为

(21)

4)扫描线速度。根据计算出的△θ和激光扫描频率(PRR)，可以求得激光扫描线速度，即

(22)

5)飞行速度(地速)。设扫描线间距为△l，一般设置为△l=△b，以保证点云脚点的等间距均匀分布。根据上述条件，可解算出飞机的飞行速度VF，即

VF=fSCAN△l。

(23)

2.3 目标最值确定

由于测距阈值、MTA等对最小测距与最大测距的限制，在制定航线设计方案中应当考虑到目标物的最小距离(rMIN)与最大距离(rMAX)是否在测距范围之内。目标的最大距离与最小距离与下列参数有关： 扫描仪的扫描起始角度θS、扫描仪的扫描终止角度θE(θE=θS+△θSCAN)、飞机的飞行高度h、飞机的侧滚角ρ、飞机的俯仰角以及测区的地形类型。图9示出目标距离求解的示意图。

假设飞机的飞行高度处于飞机的最小与最大飞行高度之间，飞机的俯仰角为0°，地形近似于平原。

图9 目标距离求解示意图

1)最小值确定。如图9所示，当激光脉冲垂直于地面发射时，所采集到的目标距离是最短的，这个距离等同于飞机的飞行高度，即

rMIN=h。

(24)

2)最大值确定。有时飞机因受侧面气流或倾斜转弯的影响，其侧滚角会发生改变，视场角的中心线就不会完全垂直于地面，而是存在角度ρ的变化。这时的目标最大距离与最小距离就要重新计算，即

(25)

(26)

rMAX=MAX(rMAXρ+，rMAXρ-)。

(27)

由于所有测量的目标距离一定要在设置好的MTA区域中，因此在起飞之前计算好目标距离的范围是非常有必要的。

3 实例验证

3.1 实验方案

假设： 扫描频率PRR=380 kHz，点密度为20 pts/m2，扫描视场角△θscan=120°，飞行速度VF=30 m/s，侧滚角ρ=±5°，旁向重叠率为20%。这里的点密度指的是点云的均匀点密度，即点云的旁向点间距与航向点间距(相邻扫描线的距离)相等(△l=△bAVG)。

将式(20)和(23)联立可得fSCAN=134 lines/s，h=60 m。根据式(15)可得bS=207 m。根据式(16)可得bA=166 m。根据式(11)―(14)可得MTA 1区范围为3～289.5 m，MTA 2区范围为395.5～785 m。根据公式(24)和(27)可得rMIN=60 m，rMAX=142 m。

通过计算结果可以得出，目标的最大、最小距离均在MTA 1区内，这个方案在平原地区可以进行小范围飞行。

3.2 方案实施

本文航线设计方案实施的位置选择在黑龙江省齐齐哈尔市的克山县，飞行轨迹如图10所示。

(绿色线为飞行轨迹，绿色表示GPS信号良好)

3.3 结果分析

图11示出航向和旁向点间距的平均误差分布情况。

图11 点间距的平均误差

航向点间距在11 463.85 s时误差出现负值，这主要是由于低空风切变导致俯仰角变化，致使航向点间距变小。旁向点间距实测值要普遍大于理论值，这是由于理论值的相对航高选取的是路基与飞机的高度差，而实际平均相对高度要大于理论值。

4 结论

1)本文对采用多周期回波(MTA)技术的激光扫描仪进行了详细分析。主要技术流程是首先求解出激光扫描仪在不同扫描频率下相应的测量范围、MTA区域范围以及因飞机侧滚角带来的测距范围的变化； 再根据要求的点密度和重叠率分别推算出飞机的飞行速度、扫描仪的扫描频率、扫描仪的扫描线速度、扫描带宽度等参数。

2)实验结果表明，航向点间距可控制在13 mm之内，旁向点间距可控制在5 mm之内； 航向误差百分比为5.8%，旁向误差百分比为2.4%。点密度符合机载激光雷达数据获取规范要求的20 pts/m2。

本文的不足之处在于所选择的参考面为理想的平面而不是实际测区地面的真实模型，这对于平原区域影响较小，而对于山区来说影响较大； 对于山区地形点云的采集密度应适当加密，从而在数据后处理时能够更真实地反映其地表。此外，由于山区地形忽高忽低，也会对相邻航带的重叠度造成影响。以上2个问题都是今后要重点解决的。

[1] Dashora,Lohani B,Deb K.Two-step procedure of optimization for flight planning problem for airborne LiDAR data acquisition[J].International Journal of Mathematical Modelling and Numerical Optimisation,2013,4(4):323-350.

[2] 杨晓,孙钊.自触发脉冲激光测距飞行时间测量研究[J].电子设计工程,2012,20(1):110-112. Yang X,Sun Z.Study on time-of-flight measurement of self-triggering pulsed laser ranging[J].Electronic Design Engineering,2012,20(1):110-112.

[3] 陈千颂,赵大龙,杨成伟,等.自触发脉冲飞行时间激光测距技术研究[J].中国激光,2004,31(6):745-748. Chen Q S,Zhao D L,Yang C W,et al.Study on self-triggering pulsed time-of-flight laser rangefinding[J].Chinese Journal of Lasers,2004,31(6):745-748.

[4] Airborne Laser Scanner LMS-Q680(i) General Description[Z].Austria,2010.

[5] UAS/UAV Laser Scanner Riegl VUX-1 General Description and Data Interfaces[Z].Austria,2015.

[6] 国家测绘地理信息局.CH/T 8024—2011机载激光雷达数据获取技术规范[S].北京:测绘出版社,2012. National Bureau of Surveying and Mapping Geographic Information.CH/T 8024—2011 Specifications for Data Acquisition of Airborne LIDAR[S].Beijing:Surveying and Mapping Publishing House,2012.

[7] 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. Lai X D.Basic Principles and Applications of Airborne LiDAR[M].Beijing:Electronic Industry Press,2010.

[8] Lohani B.Airborne Altimetric LiDAR:Principle, Data Collection,Processing and Applications[D].Kanpur:IIT Kanpur,2012.

[9] Jiang H B,Su Y Y,Jiao Q S,et al.Typical geologic disaster surveying in Wenchuan 8.0 earthquake zone using high resolution ground LiDAR and UAV remote sensing[C]//Proceedings of SPIE 9262,Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XIV.Beijing,China:SPIE,2014:926219.

(责任编辑： 刘心季)

Route design of light airborne LiDAR

LI Jiajun1,2， ZHONG Ruofei1,2

(1.CollegeofResourceEnvironmentandTourism，CapitalNormalUniversity，Beijing100048，China； 2.KeyLaboratoryof3DInformationAcquisitionandApplication，MinistryofEducation，CapitalNormalUniversity，Beijing100048，China)

In this paper, the model VUX-1 laser was used as an example to calculate the influence of multitimearound(MTA) on the height of the aircraft. Then according to the requirements of the point cloud density, scanning frequency, scanning speed and other indicators, and in accordance with the principle of air aerial photogrammetry and LiDAR data acquisition specification, the difference between traditional photogrammetry and airborne LiDAR was distinguished, and a cue from traditional photogrammetry was used for reference. The changes of laser range under different conditions, such as the different types of targets in the test area，the different types of targets and the variation of the most remote ranging capability, were determined. By taking into account the above problems，a route for the airborne LiDAR system was designed. At last, the across track point spacing and the along track point spacing were calculated respectively for analyzing the reasons and determining the feasibility of the route design scheme.

airborne LiDAR； point cloud； overlap rate； multi time around(MTA)； route design； measurement range

10.6046/gtzyyg.2017.02.14

李佳俊,钟若飞.轻小型机载LiDAR的航线设计[J].国土资源遥感,2017,29(2)：97-103.(Li J J，Zhong R F.Route design of light airborne LiDAR[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(2)：97-103.)

2015-11-10；

2015-12-19

国家自然科学基金项目“基于结构特征的车载激光扫描系统外方位元素在线标定方法研究”(编号： 41371434)和测绘地理信息公益性行业科研专项项目“新一代多平台多波段移动信息采集系统研制”(编号： 201412020)共同资助。

李佳俊(1990-),男,硕士研究生,主要研究方向为车载、机载、船载移动测量系统集成和应用。Email： 1162077712@qq.com。

TP 79; P 237

A

1001-070X(2017)02-0097-07