[發明專利]一種基于被測地形特點的機載激光雷達參數實時自適應調整方法

有效

• 申請號: 201510411966.9
• 申請日: 2015-07-15
• 公開（公告）號: CN105093925B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 王建軍;霍文驍;李云龍
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于被測地形特點的機載激光雷達參數實時自適應調整方法，飛機保持海拔高度不變并勻速直線飛行，當被測地形高程及二維空間頻率變化時，通過優化計算，實時調節掃描視場角、脈沖重復頻率和掃描頻率設置值，可使激光掃描點云帶寬保持不變，同時使點云密度始終符合采樣定理要求，避免重建三維地形模型的失真和數據存儲及處理困難。其中，飛行參數和被測地形特點由激光掃描儀、飛機飛行速度測量儀和航空照相機實時測量，通過綜合計算，獲得地形高程變化及二維空間頻率，繼而通過優化計算，獲得激光掃描儀的脈沖重復頻率、掃描頻率及掃描視場角三個參數的最優調節值，并進行實時調節，從而可實現針對被測地形變化的實時自適應最優測量。

技術領域

本發明涉及根據被測地形的特點對機載激光雷達的工作參數進行優化設計和實時自適應調節方法問題。

背景技術

機載激光雷達三維成像技術是目前地形測繪領域的新技術，其可生成被測地形的數字表面模型，目的是無失真的再現真實被測地形。

被測地形可看作是二維平面上的高程函數，因此機載激光雷達對被測地面的掃描測量過程相當于二維離散采樣過程。

由參考文獻(Digital Signal and Image Processing.翻譯版/(美)Tamal bose.吳鎮揚,周琳等譯.數字信號與圖像處理.高等教育出版社，北京，2006.7，p138)中的二維采樣定理可知，二維采樣公式可表達為：

其中，和分別為x和y方向的采樣頻率，和分別為x和y方向的采樣周期。根據不發生混疊的采樣定理要求，即：其中，和分別為被測地形在x和y方向上的最高頻率。

因此，要想無失真的恢復被測地形，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雜，正如文獻(史文中.空間數據和空間分析不確定性原理.科學出版社,北京,2005.6,p144)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，應采取不同的采樣頻率。機載激光雷達采用不同的采樣頻率具有以下兩個優點：一方面，從地形重建角度而言，可保證無失真的再現真實地形；另一方面，從整個激光掃描系統的效率而言，可使系統達到最高的使用效率，如激光器可獲得最大壽命、數據采集和存儲系統數據量最少、效率最高等等。

另外，機載激光雷達在實際操作過程中，飛機設計為絕對飛行高度(即海拔高度)固定，但隨著被測地形的高程變化，飛機與被測地形表面之間的相對飛行高度會發生變化。機載平臺與地形表面相對飛行高度的變化導致地面激光點云的掃描帶寬發生變化，而每行的掃描點數是不變的，故激光掃描帶寬的變化會造成點云密度發生變化。當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，使激光采樣數據的空間分辨率下降，導致重建三維地形模型的失真增大；反之，當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，會有利于后續三維成像的精度提高，但也造成掃描帶間的重疊區域減小、甚至出現漏掃區域；同時，過高的點密度會造成數據存儲及處理困難，海量點云數據可能使硬盤無法存下，造成數據冗余，同時數據處理時間長、效率低下等。因此，需要根據地形的高程變化，實時對參數進行調整，以保持掃描點云帶寬和點密度穩定不變。

綜上，根據被測地形特點，即地形高程變化和地形空間頻率變化，實時調整機載激光雷達的參數設置值，可使機載激光雷達達到最優掃描狀態，獲得最優的工作效率和重建地形模型精度，因此具有重要的現實意義。

根據機載激光雷達的工作原理可知，影響激光點云密度的因素中，對于飛機，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頻率。一般情況下，為了飛行效率和安全性，飛機的飛行高度和速度是確定和固定不變的，這取決于飛機的性能，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頻率三個參數的設置值。