机载LiDAR点云数据密度的影响因素研究

金振振 靳海亮 李志杰 黄兵

摘 要：机载激光雷达获取的点云数据是分布于对象表面的三维坐标点，由于受多种因素的共同作用，用户得到的点云在空间上是呈离散分布的，局部点云密度会呈现非常显著的区别。点云密度作为点云数据质量评价体系中的一项重要指标，研究其影响因素以帮助项目进行合理的设计实施，既能提高点云产品质量，又能帮助提高扫描作业的效率，节约工程成本。本文通過总结大量的工程应用实例，结合已有的科研成果，综合分析了能够影响机载LiDAR点云密度的主要因素。

关键词：机载LiDAR；点云密度；数据质量；影响因素

1 密度影响因素

1.1 激光扫描仪的选择及预设

激光扫描仪是机载LiDAR系统的核心。机载LiDAR自1995年开始商业化后，目前已有众多厂商生产机载激光扫描仪，可选择的型号超过30多种。机载LIDAR技术的硬件集成和数据后处理系统的开发方面发展迅速，依据不同用途和设计思想，扫描仪的特性也有所不同。能够对点云密度造成影响的主要表现在扫描方式和脉冲重复频率。不同的扫描方式是造成扫描条带中数据分布不均匀的主要原因，常见的扫描方式有镜摆扫描、光纤扫描、旋转棱镜扫描。在扫描作业前需要对脉冲频率进行预设，如今最先进的激光扫描仪的扫描频率可以达到22万点/秒，需要根据点云密度需求设置合适的频率。

1.2 激光扫描仪自身不稳定性

仪器自身的不稳定性也会激光的正常工作带来一定影响，如扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非匀速旋转、多个传感器之间的安置角误差等，这些问题都会给激光的均匀稳定发射带来一定的影响。激光的不稳定发射必定会给激光点云的数目造成一定的影响，但如果其偏差若保持在一定的范围之内时，适当的调整预设参数即可满足所需的点云密度要求。

1.3 飞机的飞行高度

LiDAR系统的每秒发射的激光脉冲数目（脉冲频率）和扫描频率为固定值，则一定时间内所发射的激光束数目是固定的，不考虑多次回波的情况时，获取的点云数目也应该是一定的。单独考虑获取一个带宽中的点云，每条带的点云所用时间是固定的，所以其点云量也应该是固定的，以此类推，整个航带扫描获取的点云数都与飞行高度无关。

扫描带宽SW图

扫描带宽（SW）是指系统扫描时形成的带状扫描区域的宽度，运用三角函数关系可得公式SW=2H tan（θ/2），由该式可以了解到当激光束扫描角一定时，飞行高度越大时，带宽越大。故针对具体区域制定飞行计划时，如果所需的点密度较大时，就要考虑适当的降低飞行高度。

1.4 搭载平台的飞行速度及六个外方位元素的影响

机载激光雷达的理想测量状态要求飞机按规划航线匀速直线飞行，这样获得的扫描点云分布较规则、密度较均匀，采样质量最优。激光雷达的脉冲重复频率固定后，当飞行速度越慢，获得的点云就会更加密集。但飞机在实际飞行中，由于条件的限制，飞行状态不平稳会产生较强烈而复杂的振动，很难保持理想的匀速直线飞行状态，存在飞行轨迹和姿态角的六方位运动误差。由载荷平台六个外方位元素引起的运动误差中，三个飞行轨迹运动误差对点云密度的影响很微小，但三个姿态角运动误差中俯仰角和航偏角误差的影响极为显著，会使点云密度的局部密度极大增大，同时其他局部区域密度显著降低。

1.5 扫描地区的地形、地物

由于目标物体有不同的物理特性，当激光信号到达目标地物时就有不同的反射信号，反射程度也就不同，当信号发生漫发射时还可能会造成信号丢失。在实际的扫描工作中，由于地物、地貌的复杂多样，地表的坡度、表面材质和颜色、表面粗糙程度都会有很大的差别，激光照射在上面有不同的穿透率或反射率。由于水能吸收大量的红外激光，所以在水域一般很少由信号被反射（雨雾冰霜雪同理）。另外，地表不连续以及移动物体如行人、动物、车辆等也会影响其反射量。

1.6 飞行季节及天气状况

激光虽然具有良好的穿透性，但是探测质量（距离、强度）与季节和天气状况密切相关，如云层的遮挡（无法穿透云层）、空气的温度和湿度、悬浮物颗粒的大小和密度、气流的环流速度、植被的茂盛程度对点云密度都有一定的影响。所以激光测量应选在晴朗少云的天气进行，这样衰减较小、干扰因素较少，传播距离较远而精确。

2 结语

本文探讨了机载LiDAR系统的产物之一——点云数据，针对其密度的影响因素进行了全面的分析，研究的结果有助于了解密度的影响因素和控制手段，可以避免仅仅依赖作业经验进行航测设计的盲目性，能够在扫描仪的选择和参数设置、布置航飞作业、辅助质量评价、找出密度问题原因、寻求补偿措施中起到一定的参考和指导意义。

参考文献：

[1]王萍，周筑博，王平.针对不同作业模式分析LiDAR点云密度对电力巡线的影响[J].测绘与空间地理信息，2017（03）.

[2]靳克强，龚志辉，汤志强.机载激光雷达点云数据质量评价体系分析与探讨[J].测绘与空间地理信息，2012（04）.

[3]赖旭东，刘雨杉，李咏旭.机载激光雷达点云密度特征应用现状及进展[J].地理空间信息，2018（12）.