机载LiDAR点云数据密度的影响因素研究

来源: 发布时间:2019-10-18 09:12:01

  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。本文通过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。

  图1:扫描带宽SW

  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 结束语

  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。

  主要参考文献:

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

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

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


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