一種基于被測地形特點的機(jī)載激光雷達(dá)參數(shù)實時自適應(yīng)調(diào)整方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)被測地形的特點對機(jī)載激光雷達(dá)的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和實 時自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)載激光雷達(dá)三維成像技術(shù)是目前地形測繪領(lǐng)域的新技術(shù)，其可生成被測地形的 數(shù)字表面模型，目的是無失真的再現(xiàn)真實被測地形。
[0003] 被測地形可看作是二維平面上的高程函數(shù)，因此機(jī)載激光雷達(dá)對被測地面的掃描 測量過程相當(dāng)于二維離散采樣過程。
[0004] 由參考文獻(xiàn)（Digital Signal and Image Processing.翻譯版/(美）Tamal bose.吳鎮(zhèn)揚(yáng)，周琳等譯.數(shù)字信號與圖像處理.高等教育出版社，北京，2006. 7, pl38) 中的二維采樣定理可知，二維采樣公式可表達(dá)為：
其中，分別為X和y方向的采樣頻率，%#%分別為X和y方向的采樣周期。根 據(jù)不發(fā)生混疊的采樣定理要求，即士別為被測地形在 X和y方向上的最高頻率。
[0005] 因此，要想無失真的恢復(fù)被測地形，基本前提是對地面掃描的激光點云密度分布 滿足上述二維采樣定理要求。但通常地形空間頻率很復(fù)雜，正如文獻(xiàn)(史文中.空間數(shù)據(jù)和 空間分析不確定性原理.科學(xué)出版社，北京，2005.6, pl44)中所言，"自然界中的地形具 有兩種基本類型，劇烈變化的地形（高頻成分豐富）和平緩變化的地形(低頻成分豐富)。任 何一種復(fù)雜地形都可視作這兩種情形的合成，不同之處在于所含這兩種類型的比例不同"。 因此，不同的地形由不同的頻率組成，針對不同的地形，應(yīng)采取不同的采樣頻率。機(jī)載激光 雷達(dá)采用不同的采樣頻率具有以下兩個優(yōu)點：一方面，從地形重建角度而言，可保證無失真 的再現(xiàn)真實地形；另一方面，從整個激光掃描系統(tǒng)的效率而言，可使系統(tǒng)達(dá)到最高的使用效 率，如激光器可獲得最大壽命、數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)量最少、效率最高等等。
[0006] 另外，機(jī)載激光雷達(dá)在實際操作過程中，飛機(jī)設(shè)計為絕對飛行高度（即海拔高度） 固定，但隨著被測地形的高程變化，飛機(jī)與被測地形表面之間的相對飛行高度會發(fā)生變化。 機(jī)載平臺與地形表面相對飛行高度的變化導(dǎo)致地面激光點云的掃描帶寬發(fā)生變化，而每行 的掃描點數(shù)是不變的，故激光掃描帶寬的變化會造成點云密度發(fā)生變化。當(dāng)相對飛行高度 增大時，激光點云的掃描帶寬增加，使每行中激光點間距增大，故點云密度降低，使激光采 樣數(shù)據(jù)的空間分辨率下降，導(dǎo)致重建三維地形模型的失真增大；反之，當(dāng)相對飛行高度減小 時，激光點云的掃描帶寬減小，雖然每行中的激光點間距減小、點云密度增大，會有利于后 續(xù)三維成像的精度提高，但也造成掃描帶間的重疊區(qū)域減小、甚至出現(xiàn)漏掃區(qū)域；同時，過 高的點密度會造成數(shù)據(jù)存儲及處理困難，海量點云數(shù)據(jù)可能使硬盤無法存下，造成數(shù)據(jù)冗 余，同時數(shù)據(jù)處理時間長、效率低下等。因此，需要根據(jù)地形的高程變化，實時對參數(shù)進(jìn)行調(diào) 整，以保持掃描點云帶寬和點密度穩(wěn)定不變。
[0007] 綜上，根據(jù)被測地形特點，即地形高程變化和地形空間頻率變化，實時調(diào)整機(jī)載激 光雷達(dá)的參數(shù)設(shè)置值，可使機(jī)載激光雷達(dá)達(dá)到最優(yōu)掃描狀態(tài)，獲得最優(yōu)的工作效率和重建 地形模型精度，因此具有重要的現(xiàn)實意義。
[0008] 根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)的工作原理可知，影響激光點云密度的因素中，對于飛機(jī)，主要 為相對地面的飛行高度和飛行速度；對于激光掃描儀，主要為掃描視場角、掃描頻率和脈沖 重復(fù)頻率。一般情況下，為了飛行效率和安全性，飛機(jī)的飛行高度和速度是確定和固定不變 的，這取決于飛機(jī)的性能，則可改變的只有激光掃描儀中的掃描視場角、掃描頻率和脈沖重 復(fù)頻率三個參數(shù)的設(shè)置值。
[0009] 當(dāng)前的機(jī)載激光雷達(dá)中，激光掃描儀的工作參數(shù)設(shè)置值一般是固定的，即開始飛 行后，只有一種單一參數(shù)工作模式，無法自適應(yīng)改變。
[0010] 因此，本申請專利的目的是提出一種基于被測地形特點的機(jī)載激光雷達(dá)參數(shù)實時 自適應(yīng)調(diào)整方法，通過設(shè)置多種機(jī)載測量載荷，獲得關(guān)于飛行參數(shù)和被測地形特點的各種 信息，分析出被測地形的高程變化和空間頻率特點，采用優(yōu)化設(shè)計和自適應(yīng)控制方式，根據(jù) 地形的波動特點和復(fù)雜程度，實時調(diào)整激光掃描儀的三個參數(shù)設(shè)置值，即掃描視場角、掃描 頻率和脈沖重復(fù)頻率，以達(dá)到自適應(yīng)改變點云帶寬和點密度的目的，使地形采樣始終滿足 采樣定理要球，同時采樣數(shù)據(jù)量又不會太大，從而達(dá)到一種優(yōu)化平衡的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 針對現(xiàn)有機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)中還缺乏根據(jù)地形變化特點而對機(jī)載激光雷達(dá) 參數(shù)進(jìn)行實時自適應(yīng)調(diào)整的方法和裝置，本發(fā)明提供了一種基于被測地形特點進(jìn)行機(jī)載激 光掃描參數(shù)實時自適應(yīng)調(diào)整的方法與裝置，其目的是，當(dāng)被測地形特點發(fā)生變化時，實時改 變機(jī)載激光雷達(dá)的三個參數(shù)值，如掃描視場角、掃描頻率和脈沖重復(fù)頻率，使激光掃描點云 分布和密度達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。
[0012] 本發(fā)明提供的一種基于被測地形特點的機(jī)載激光雷達(dá)參數(shù)實時自適應(yīng)調(diào)整方法 與裝置，其特征在于包括地形特征及飛行參數(shù)測量裝置（1 )、激光掃描儀參數(shù)自適應(yīng)設(shè)計控 制器（2)、掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié)裝置（3)、機(jī)載平臺（4)。所述地形特征及飛行參數(shù)測量裝置（1) 包括激光掃描儀（11)、飛機(jī)飛行速度測量儀（12)、航空照相機(jī)（13)。所述掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié) 裝置（3)包括脈沖重復(fù)頻率調(diào)節(jié)裝置（31)、掃描頻率調(diào)節(jié)裝置（32)、激光掃描視場角調(diào)節(jié) 裝置（33)。所述機(jī)載平臺（4)是各種載荷的安裝平臺，所述地形特征及飛行參數(shù)測量裝置 (1)、激光掃描儀參數(shù)自適應(yīng)設(shè)計控制器（2)、掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié)裝置（3)均固定在所述機(jī)載 平臺（4)上。所述激光掃描儀參數(shù)自適應(yīng)設(shè)計控制器（2)獲得激光掃描儀（11)、飛機(jī)飛行 速度測量儀（12)、航空照相機(jī)（13)的測量數(shù)據(jù)，通過實時計算，獲得被測地形特點，如二維 地形空間頻率和高程信息，通過優(yōu)化計算，得到激光掃描儀的三個工作參數(shù)，即脈沖重復(fù)頻 率、掃描頻率、掃描視場角的最優(yōu)調(diào)節(jié)值，并輸出控制信號，分別控制所述脈沖重復(fù)頻率調(diào) 節(jié)裝置（31)、掃描頻率調(diào)節(jié)裝置（32)、激光掃描視場角調(diào)節(jié)裝置（33)實現(xiàn)三個工作參數(shù)設(shè) 置值的實時調(diào)節(jié)。所述機(jī)載平臺（4)保持海拔高度不變并勻速直線飛行，當(dāng)被測地形有高 程變化時，所述機(jī)載平臺（4)和被測地形表面之間的相對飛行高度發(fā)生變化，造成機(jī)載激光 雷達(dá)的掃描點云帶寬及點密度相應(yīng)變化，通過調(diào)整掃描視場角和脈沖重復(fù)頻率，可保持掃 描點云帶寬和點密度不變。當(dāng)被測地形空間頻率發(fā)生變化時，通過實時調(diào)節(jié)掃描頻率和脈 沖重復(fù)頻率設(shè)置值，可改變激光掃描在二維方向上的采樣頻率，使激光掃描點云密度始終 符合采樣定理要求，避免后續(xù)重建三維地形模型的失真。
[0013] 其中，飛機(jī)飛行速度測量儀（12)采用皮托管空速儀進(jìn)行測量，其中皮托管（121) 水平放置，則此時勢壓為零，則皮托管測出的空氣動壓為全壓減去靜壓。由差壓式壓力 傳感器（122)將動壓轉(zhuǎn)換為電壓輸出，如差壓膜盒式差動自感式位移傳感器，繼而由
中還是空氣密度，從而可求出飛行速度κ。采用激光掃描儀與天底線重合時 的激光測距值，即掃描角為零時的激光測距值，作為機(jī)載平臺（4)與被測地形表面之間的相 對飛行高度值。采用激光掃描儀的前幾秒時間的激光測距數(shù)據(jù)以及由航空照相機(jī)獲得的圖 像數(shù)據(jù)，經(jīng)計算來預(yù)測被測地形在飛行方向和橫向掃描方向上的二維地形空間頻率，記為
[0014] 其中，飛機(jī)勻速直線飛行且飛行時保持海拔高度固定不變，但當(dāng)被測地形有高程 變化時，會改變飛機(jī)與被測地形表面間的相對飛行高度，導(dǎo)致掃描點云帶寬發(fā)生變化。假設(shè) 激光掃描儀的掃描頻率和脈沖重復(fù)頻率不變，當(dāng)被測地形越高，則飛機(jī)與被測地面之間的 相對高度越小，掃描點云帶寬越窄，激光點云的點密度會變高；反之，當(dāng)被測地形越低，相對 飛行高度越大，掃描點云帶寬越寬，則點密度越低。掃描點云帶寬的變窄會減小相鄰帶寬之 間的重疊度，嚴(yán)重的會造成被測地形的漏掃，導(dǎo)致采樣失敗、被測地形局部重建缺失。點云 密度太高則會造成數(shù)據(jù)冗余，不利于數(shù)據(jù)的存儲和處理效率的提高，而密度太低又會造成 重建地形表面模型的失真增大，因此，需要根據(jù)地形特點對激光掃描參數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化調(diào) 整。
[0015] 其中，所述激光脈沖發(fā)射器（311)發(fā)出激光脈沖，經(jīng)所述反射鏡（331)反射后到達(dá) 所述旋轉(zhuǎn)棱鏡（332 )，經(jīng)所述旋轉(zhuǎn)棱鏡（332 )反射后射向地面，所述旋轉(zhuǎn)棱鏡電機(jī)（321)帶 動所述旋轉(zhuǎn)棱鏡（332 )轉(zhuǎn)動，所述旋轉(zhuǎn)棱鏡光電軸角編碼器（333