面向測(cè)圖的無人機(jī)載LiDAR應(yīng)用研究初探

郝思寶，孫磊，于婷婷

(江蘇省地質(zhì)測(cè)繪院，江蘇 南京 211102)

1 引 言

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采用非接觸式測(cè)量方式，具有安全、高效、準(zhǔn)確等特點(diǎn)[1]，機(jī)載LiDAR生成的點(diǎn)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(xiàng)目中[2，3]。

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，以無人機(jī)為載體的LiDAR系統(tǒng)日益成熟，無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)融合了無人機(jī)、三維激光掃描、GNSS以及IMU等新型技術(shù)手段，憑借其機(jī)動(dòng)靈活、采集高效等特點(diǎn)，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(cè)圖項(xiàng)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(xiàng)目應(yīng)用特點(diǎn)，獲取滿足大比例尺測(cè)圖生產(chǎn)要求的數(shù)據(jù)，是推動(dòng)無人機(jī)載LiDAR技術(shù)深入應(yīng)用亟須解決的問題。

2 測(cè)圖生產(chǎn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的要求

目前，針對(duì)機(jī)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(gè)規(guī)范與規(guī)程。以CH/T 8024-2011《機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》)為例，它包括了機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取基本要求，從技術(shù)準(zhǔn)備、飛行計(jì)劃與實(shí)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(duì)傳統(tǒng)航測(cè)機(jī)載LiDAR設(shè)備，飛行器一般為有人駕駛的航測(cè)飛機(jī)，數(shù)據(jù)主要為DEM生產(chǎn)服務(wù)。而針對(duì)無人機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，面向測(cè)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(diǎn)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(cè)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(diǎn)云密度

點(diǎn)云密度是指單位面積內(nèi)激光點(diǎn)的個(gè)數(shù)，是刻畫點(diǎn)云精細(xì)度的重要指標(biāo)。不同點(diǎn)云密度呈現(xiàn)物體的細(xì)節(jié)特征存在差異，從而對(duì)測(cè)圖成果的完整性和精度產(chǎn)生影響。另一方面，點(diǎn)云密度對(duì)數(shù)據(jù)采集處理效率有重要影響。在生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)綜合考慮點(diǎn)云精度、采集效率、處理時(shí)間等多方面因素，選擇合適的點(diǎn)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(duì)不同比例尺分幅圖的點(diǎn)云密度進(jìn)行了規(guī)定，其中 1∶500點(diǎn)云密度每平方米不少于16個(gè)點(diǎn)，1∶1 000點(diǎn)云密度每平方米不少于4個(gè)點(diǎn)[6]。由于生產(chǎn)目的不同，《技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的點(diǎn)云密度無法滿足測(cè)圖需求。為確定不同比例尺測(cè)圖對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度的要求，本文進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，首先選取包含典型地物的區(qū)域，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集(超過300點(diǎn)/m2)；接著，設(shè)置不同的點(diǎn)間距對(duì)點(diǎn)云抽稀，得到相應(yīng)密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

安排同一技術(shù)人員，以不同密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行測(cè)圖作業(yè)。從測(cè)圖對(duì)象的辨識(shí)度、測(cè)圖完整度以及成果精度等方面對(duì)點(diǎn)云的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終總結(jié)出各類項(xiàng)目點(diǎn)云密度要求如表1所示：

表1 面向測(cè)圖的點(diǎn)云密度要求

需要注意的是，在明確點(diǎn)云密度要求的同時(shí)，應(yīng)保證點(diǎn)云均勻分布，避免出現(xiàn)整體滿足密度要求，但局部點(diǎn)云密度不達(dá)標(biāo)的情況。

2.2 覆蓋完整性

覆蓋完整性描述了待測(cè)對(duì)象在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的完整程度。不同項(xiàng)目的待測(cè)物體不同，對(duì)覆蓋完整性要求也有所不同。面向DEM生產(chǎn)時(shí)，點(diǎn)云覆蓋完整性主要針對(duì)地面點(diǎn)而言，而在面向測(cè)圖生產(chǎn)時(shí)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋完整性不應(yīng)簡(jiǎn)單理解為在正射視圖下地表點(diǎn)云覆蓋是否完整，而是要看被測(cè)對(duì)象的覆蓋完整性。如在地形地籍項(xiàng)目中，即使正射俯視圖點(diǎn)云覆蓋度很高，但建筑墻體和植被下地面點(diǎn)覆蓋不完整，也會(huì)對(duì)測(cè)圖產(chǎn)生不利影響。不同重疊度的點(diǎn)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(diǎn)云數(shù)據(jù)

在無人機(jī)載LiDAR生產(chǎn)航飛設(shè)計(jì)中，通常采用增加旁向重疊度和設(shè)計(jì)井字交叉航線的方法提高點(diǎn)云覆蓋完整性。上圖描述不同旁向重疊度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)情況，由圖可知，當(dāng)旁向重疊度小于30%時(shí)，房檐下的墻體不完整，無法準(zhǔn)確繪制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與項(xiàng)目生產(chǎn)，本文認(rèn)為在大比例尺測(cè)圖項(xiàng)目中，應(yīng)設(shè)計(jì)井字航線，同時(shí)航線旁向重疊度達(dá)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(diǎn)云精度

《技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度，未對(duì)平面精度作要求。大比例尺測(cè)圖項(xiàng)目中，需對(duì)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(xiàng)目類型，參考相應(yīng)技術(shù)規(guī)程執(zhí)行，其中點(diǎn)云的點(diǎn)位中誤差和間距中誤差不應(yīng)低于對(duì)應(yīng)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中的相應(yīng)要求。

由于點(diǎn)云離散的特點(diǎn)，很難準(zhǔn)確地找到檢測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激光腳點(diǎn)，在評(píng)定點(diǎn)云精度時(shí)，采用如下方法：

(1)平面點(diǎn)位精度

檢查平面點(diǎn)位時(shí)，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(diǎn)位作為平面檢查點(diǎn)[7]。采用GNSS或全站儀采集相應(yīng)點(diǎn)位獲得平面坐標(biāo)，將點(diǎn)位展繪至點(diǎn)云正射底圖上，通過量取真實(shí)點(diǎn)位與檢查點(diǎn)的平面坐標(biāo)差值，評(píng)價(jià)平面點(diǎn)位精度。

(2)高程點(diǎn)位精度

檢查高程點(diǎn)位時(shí)，一般選擇平坦的水平面(如：操場(chǎng)、房前空地等)。外業(yè)采用GPS或全站儀采集高程點(diǎn)位，在精度要求較高的生產(chǎn)項(xiàng)目中，可采用水準(zhǔn)儀采集點(diǎn)位[7]。

在檢測(cè)時(shí)，需要分析誤差產(chǎn)生原因：是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量還是因?yàn)樵诓杉斐傻?，避免產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果。

3 無人機(jī)載LiDAR航飛設(shè)計(jì)

明確點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求后，需研究航飛設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量元素的影響，進(jìn)行高效、合理的航飛設(shè)計(jì)。

3.1 航飛參數(shù)

(1)掃描頻率與最大測(cè)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(shí)間內(nèi)發(fā)射的激光點(diǎn)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(cè)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(cè)距關(guān)系如表2所示。

表2 VUX-1UAV脈沖發(fā)射頻率與測(cè)距關(guān)系

最大測(cè)距與航高及視場(chǎng)角有關(guān)，對(duì)精度有重要影響。在航飛設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定最大測(cè)距，在此基礎(chǔ)上選擇與之適應(yīng)的掃描頻率。在點(diǎn)云處理時(shí)，還會(huì)在最大測(cè)距范圍內(nèi)，設(shè)置濾波距離，以進(jìn)一步確保點(diǎn)云質(zhì)量。

(2)視場(chǎng)角(FOV)

視場(chǎng)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(chǎng)角決定了有效掃描點(diǎn)數(shù)，視場(chǎng)角與掃描有效點(diǎn)數(shù)的關(guān)系為：

有效點(diǎn)數(shù)=PRR*FOV/360

理論上，掃描頻率確定的情況下，視場(chǎng)角越大，有效點(diǎn)數(shù)越多。但是，在實(shí)際作業(yè)時(shí)，當(dāng)視場(chǎng)角過大，會(huì)造成測(cè)距過遠(yuǎn)，易產(chǎn)生點(diǎn)云噪聲，影響質(zhì)量。因此，在無人機(jī)載LiDAR測(cè)圖生產(chǎn)項(xiàng)目中，視場(chǎng)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(jì)中最重要的參數(shù)。飛行高度對(duì)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(diǎn)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(duì)點(diǎn)云覆蓋完整性也會(huì)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(jì)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(duì)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(jī)沿航向方向的飛行的速度。

圖3 掃描腳點(diǎn)在不同方向分布示意

在無人機(jī)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(diǎn)數(shù)成反比，與旁向點(diǎn)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(diǎn)間距成正比。因此，掃描線速度與航飛速度共同影響掃描點(diǎn)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(diǎn)距大小，確保點(diǎn)云均勻分布。

3.2 航飛參數(shù)對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量的影響

(1)點(diǎn)云密度

點(diǎn)云密度指的是單位面積內(nèi)掃描點(diǎn)數(shù)，理論上，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的點(diǎn)數(shù)與地面掃描帶所覆蓋范圍的面積，即可得到點(diǎn)云密度。

在掃描頻率(PRR)和視場(chǎng)角(α)確定后，可以確定單位時(shí)間內(nèi)的有效掃描點(diǎn)。飛行速度(V飛)和掃描帶寬度(W)又可計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的掃描面積，掃描帶寬度可通過航高與視場(chǎng)角計(jì)算得到，由此可確定點(diǎn)云密度(B)公式如下：

上述公式可知，對(duì)于單條航線，點(diǎn)云頻率、視場(chǎng)角、飛行速度以及航高對(duì)點(diǎn)云密度均產(chǎn)生影響。需要注意的是，在實(shí)際作業(yè)計(jì)算點(diǎn)云密度時(shí)，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(duì)應(yīng)地面掃描帶的重疊部分與整個(gè)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(chǎng)角可以計(jì)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(diǎn)云精度

無人機(jī)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(cè)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(chǎng)角，航飛高度等均對(duì)精度產(chǎn)生影響：掃描視場(chǎng)角越大，點(diǎn)云的誤差越大；飛行高度越高，定位誤差越大[10]。此外，點(diǎn)云成果的精度還會(huì)受飛行速度、飛行器穩(wěn)定性、飛行時(shí)天氣狀況以及測(cè)區(qū)電磁狀況等多種要素的綜合影響。應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，比較不同方案中，點(diǎn)云的精度情況，從而為方案選用提供。

3.3 航飛設(shè)計(jì)步驟

在實(shí)施無人機(jī)LiDAR項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和質(zhì)量要求，設(shè)定航飛參數(shù)。其設(shè)計(jì)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(xiàng)目要求，明確點(diǎn)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(cè)距、掃描頻率、濾波距離、視場(chǎng)角、掃描頻率、航飛速度等參數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)航飛線路

以設(shè)定好的航飛參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)航飛線路。在航飛設(shè)計(jì)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(diǎn)云覆蓋。除此以外，在航線設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意：航線方向、航線長(zhǎng)度和起飛前字繞飛航線設(shè)計(jì)等技術(shù)點(diǎn)，以保證成果質(zhì)量。

3.4 航飛設(shè)計(jì)計(jì)算工具

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

圖5 航飛設(shè)計(jì)計(jì)算工具界面

4 航飛試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證航飛設(shè)計(jì)方案及工具的正確性，比較不同航飛方案中，各類參數(shù)對(duì)點(diǎn)云成果的影響，選取試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行不同設(shè)計(jì)方案的航飛試驗(yàn)。綜合評(píng)定不同航飛參數(shù)條件下，機(jī)載激光雷達(dá)的掃描效率、點(diǎn)云質(zhì)量等多種指標(biāo)，以及相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)大比例尺測(cè)圖項(xiàng)目的適用性。

4.2 航飛設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地勢(shì)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(yàn)統(tǒng)一采用四旋翼無人機(jī)搭載多平臺(tái)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)(AS-900HL)，設(shè)計(jì)了70 m、 100m、 140 m三種不同的航飛高度，對(duì)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(píng)定與分析

通過驗(yàn)證，上述三種方案的點(diǎn)云密度以及覆蓋完整性均能滿足大比例尺測(cè)圖要求。重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云精度進(jìn)行評(píng)定與分析。

按照上文介紹的點(diǎn)云精度評(píng)定方法，選取24個(gè)平面檢測(cè)點(diǎn)，36個(gè)高程檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度評(píng)定。平面及高程中誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示：

表4 平面及高程中誤差統(tǒng)計(jì)

不同架次點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)結(jié)果類似，第三架次(140 m航高)平面精度明顯降低。

4.4 測(cè)試結(jié)論

通過測(cè)試得到如下結(jié)論：相對(duì)航高在 70 m、 100 m以及 140 m時(shí)，并采用相應(yīng)航飛參數(shù)得到的點(diǎn)云成果，平面與高程精度均可達(dá)到 5 cm，理論上均能夠滿足 1∶500地籍項(xiàng)目、1∶500地形圖和 1∶1 000地形圖等大比例尺測(cè)圖數(shù)據(jù)采集的要求。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)測(cè)圖生產(chǎn)需求，分析大比例尺測(cè)圖對(duì)點(diǎn)云密度、覆蓋完整性以及點(diǎn)云精度等質(zhì)量要求。研究分析了航飛設(shè)計(jì)中各參數(shù)對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量要素的影響，總結(jié)了航飛設(shè)計(jì)工作步驟，編制了航飛設(shè)計(jì)計(jì)算工具，為進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。通過項(xiàng)目試驗(yàn)，得到采用無人機(jī)載LiDAR方法，在 140 m以下航高時(shí)，點(diǎn)云平面與高程均可達(dá)到 5 cm的結(jié)論，能夠滿足測(cè)圖應(yīng)用需求，為無人機(jī)LiDAR的數(shù)據(jù)獲取及設(shè)計(jì)提供了可行的思路。