[发明专利]一种机载激光雷达航测参数的优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空遥感及对地观测领域，主要为一种实现机载激光雷达航测参数优化设计的方法。

背景技术

机载激光雷达(Li DAR)是一种新兴的主动对地观测手段，可以高效、准确地测量地形信息，从而获得高分辨率的地球空间信息，因此广泛应用于地形测绘、海洋测深、三维城市建模、军事国防等领域。但机载激光雷达是一种集飞行平台、激光测量系统为一体的高成本航测手段，民用方面目前国内仅有几家公司拥有机载激光雷达航测系统，其租用成本较高。因此，在满足航测要求的情况下，快速地完成航测任务无论对降低用户成本还是帮助厂家开拓市场都势在必行。除此之外，在一些特殊应用领域，如军事侦查，快速地完成测量任务，不仅关系到自身的安全还影响到对作战时机的把握。因此，在航测任务开始之前，必须对航线位置、飞行速度、飞行高度等航测参数进行优化设计，在满足航测要求的情况下，快速、低成本、高效地完成航测任务。

目前，较为成熟的遥感领域的飞行管理软件都是适用于航空摄影的软件系统，比如北京大学遥感与地理信息系统研究所开发的航空遥感任务规划系统(Airborne Remote Sensing Mission Planning System，简称ARSMPS)用于无人机航测；国家基础地理信息中心和武汉大学联合开发研制一套″基于DEM的航空摄影技术设计系统″，适用于复杂地形条件下的测区规划、航线敷设。而机载激光雷达方面，由于国产LiDAR硬件的开发研制刚刚起步，还没有成熟的飞行作业软件。

发明内容

本发明以激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系为约束，在满足激光脚点分布密度及各个参数的实际范围的情况下，以扫描带条数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数及飞行航线位置。

本发明提出的一种机载激光雷达航测参数优化设计方法采用以下技术方案：

在机载激光遥感系统位置测量精度、姿态测量精度、距离测量精度一定的情况下，影响三维形貌重建精度的主要因素就是激光脚点的分布情况，通过分析激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系，在满足激光脚点分布密度要求及各个参数的实际范围的情况下，以扫描航带数为自变量，以所需扫描时间最少为目标，确定出最佳的航测参数。其特征在于，建立激光器参数、飞行参数、扫描系统参数与激光脚点分布的映射关系；以满足激光脚点分布密度要求为前提条件，以扫描带条数为自变量，以对扫描区域完成扫描用时最少为优化目标，以各个参数与激光脚点分布的映射关系为约束条件，求得最佳的扫描带条数、激光器参数、飞行参数、扫描系统参数以及扫描时间。该方法在航测开始之前进行航测参数设计，并在航测过程中对飞行航线位置进行监测和校正。其中，所述激光器参数包括激光脉冲重复频率、激光束发散角；所述飞行参数包括飞行平台的飞行速度、相对被测地面区域的飞行高度和在被测区域平面内的飞行航线位置；所述扫描系统参数包括扫描角、扫描频率；其他参数还包括扫描带重叠度。本发明按照三维重建精度对激光脚点分布密度的要求，根据扫描区域、飞行平台、激光雷达系统的特点，设计出航测用时最少的航测参数，适用于激光雷达扫描成像的航空遥感领域。

其中，以满足激光点云分布密度要求为前提，具体就是激光脚点的航向间距和旁向间距。在机载激光雷达系统中，当位置测量精度、姿态测量精度、距离测量精度一定的情况下，影响目标三维重建精度的主要影响因素就是采样点密度，即激光点云密度，点云密度的评价参数就是航向间距和旁向间距。

其中，以激光脚点分布与激光器参数、飞行参数、扫描系统参数之间的关系为约束条件。

其中，所述激光器参数包括激光脉冲重复频率、激光光束发散角；所述飞行参数是指飞行平台的飞行速度和相对航测区域地面的飞行高度和在被测区域平面内的飞行航线位置；所述扫描系统参数是指扫描机构的扫描频率。

其中，所述激光脚点分布与激光器参数、飞行参数、扫描系统参数之间的映射关系为：理想情况下，机载平台做匀速直线运动，飞行高度和扫描角决定了扫描带宽，飞行速度和扫描频率决定了扫描点的航向间距，重复频率影响每一条扫描线上的扫描点数的多少，重复频率、扫描带宽和扫描频率共同决定了激光脚点旁向间距，其中以最大旁向间距作为整体旁向间距的衡量标准。

其中，所述约束关系中的参数除了激光器参数、飞行参数和扫描系统参数外，还包括扫描带重叠度，即相邻两条扫描带的重叠程度，一定的扫描带重叠度确保航测过程中漏扫现象不会发生。