一種基于被測地形特點的機載激光雷達參數(shù)實時自適應調(diào)整方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)被測地形的特點對機載激光雷達的工作參數(shù)進行優(yōu)化設計和實 時自適應調(diào)節(jié)方法問題。
【背景技術】
[0002] 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(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。
[0004] 由參考文獻（Digital Signal and Image Processing.翻譯版/(美）Tamal bose.吳鎮(zhèn)揚，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(shù)據(jù)和 空間分析不確定性原理.科學出版社，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(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(fā)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(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(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)整機載激 光雷達的參數(shù)設置值，可使機載激光雷達達到最優(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(shù)的設置值。
[0009] 當前的機載激光雷達中，激光掃描儀的工作參數(shù)設置值一般是固定的，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載激光雷達參數(shù)實時 自適應調(diào)整方法，通過設置多種機載測量載荷，獲得關于飛行參數(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)化設計和自適應控制方式，根據(jù) 地形的波動特點和復雜程度，實時調(diào)整激光掃描儀的三個參數(shù)設置值，即掃描視場角、掃描 頻率和脈沖重復頻率，以達到自適應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)有機載激光雷達測量技術中還缺乏根據(jù)地形變化特點而對機載激光雷達 參數(shù)進行實時自適應調(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行機載激 光掃描參數(shù)實時自適應調(diào)整的方法與裝置，其目的是，當被測地形特點發(fā)生變化時，實時改 變機載激光雷達的三個參數(shù)值，如掃描視場角、掃描頻率和脈沖重復頻率，使激光掃描點云 分布和密度達到最優(yōu)狀態(tài)。
[0012] 本發(fā)明提供的一種基于被測地形特點的機載激光雷達參數(shù)實時自適應調(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)自適應設計控 制器（2)、掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié)裝置（3)、機載平臺（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)、飛機飛行速度測量儀（12)、航空照相機（13)。所述掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié) 裝置（3)包括脈沖重復頻率調(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)自適應設計控制器（2)、掃描儀參數(shù)調(diào)節(jié)裝置（3)均固定在所述機載 平臺（4)上。所述激光掃描儀參數(shù)自適應設計控制器（2)獲得激光掃描儀（11)、飛機飛行 速度測量儀（12)、航空照相機（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 置值的實時調(diào)節(jié)。所述機載平臺（4)保持海拔高度不變并勻速直線飛行，當被測地形有高 程變化時，所述機載平臺（4)和被測地形表面之間的相對飛行高度發(fā)生變化，造成機載激光 雷達的掃描點云帶寬及點密度相應變化，通過調(diào)整掃描視場角和脈沖重復頻率，可保持掃 描點云帶寬和點密度不變。當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 沖重復頻率設置值，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，飛機飛行速度測量儀（12)采用皮托管空速儀進行測量，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)以及由航空照相機獲得的圖 像數(shù)據(jù)，經(jīng)計算來預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，飛機勻速直線飛行且飛行時保持海拔高度固定不變，但當被測地形有高程 變化時，會改變飛機與被測地形表面間的相對飛行高度，導致掃描點云帶寬發(fā)生變化。假設 激光掃描儀的掃描頻率和脈沖重復頻率不變，當被測地形越高，則飛機與被測地面之間的 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，嚴重的會造成被測地形的漏掃，導致采樣失敗、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 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（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