[发明专利]一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及点扫描式三维成像机载激光雷达飞行高度变化的补偿问题。 

背景技术

机载激光雷达是基于激光测距原理的地形测绘技术，集成了飞机平台、激光扫描仪、差分全球定位系统DGPS (Differential Global Positioning System)、惯性导航系统INS (Initial Navigation System)以及计算机数据采集与处理系统等。 

机载激光雷达工作过程如下：飞机以预先设定的飞行航线匀速直线飞行，飞行高度是事先规划好的，在当地水平面参考坐标系中，理想的飞行高度是不变的。由DGPS/INS组合测量系统通过卡尔曼滤波技术实时测出激光扫描仪载荷平台的航迹和姿态角，根据激光脉冲的飞行时间计算出激光扫描仪扫描镜光学中心到地面激光脚点的距离，由光电轴角编码器获得该激光脉冲发射时刻的扫描角，根据以上数据可计算出地面激光脚点的三维坐标。大量的激光脚点形成激光点云，经过后续点云处理，获得被测地形的三维成像，即数字高程模型DEM (Digital Elevation Model)和数字表面模型DSM（Digital Surface Model）等。DEM和DSM精度取决于激光点云的密度、分布和激光脚点定位精度。 

机载激光雷达在实际操作过程中，飞机载体会受到多方面的干扰影响，如阵风、湍流、发动机振动及控制系统的性能缺陷等，使机载平台无法保持理想的匀速直线运动状态，飞行高度会发生变化。另外，设计规划时没有预测到的高楼或山顶、高的树木等也会迫使飞行高度发生变化。尤其是采用直升飞机作为载荷平台，飞行高度的变化更大，可达几十米、甚至100米以上。载荷平台飞行高度的非理想运动导致地面激光点云的扫描带宽度发生变化，而每行的扫描点数是不变的，故扫描带宽度的变化会造成激光扫描点云的密度发生变化。一方面，当飞行高度增大时，激光点云的扫描带宽度增加，使每行中的激光点间距增大，点云密度降低，使被测地形的激光采集数据空间分辨率下降，造成重建三维模型的退化。另一方面，当飞行高度减小时，激光点云的扫描带宽度减小，虽然每行中的激光点间距减小，点云密度增大，会有利于后续三维成像的精度提高，但也可能由于密度太大而造成后续处理的困难；另外，激光点云扫描带宽度的减小会导致重要被测地形的漏扫，尤其是对狭长地形区域的扫描，如电力线、高速公路、海岸线、铁路线等，扫描带宽度的减小非常有害，漏扫会导致有时不得不返工重扫，影响工作效率。因此，对于机载激光雷达测量过程，不管是飞行高度的增大还是减小，都会造成测绘产品的质量下降，带来不利的影响。因此，针对机载激光雷达飞行高度变化的实时补偿非常有必要，具有重要的现实意义。 

目前，现有的各种点扫描式三维成像机载激光雷达及其他相关类型的激光雷达，如推扫式线扫描机载激光雷达等，均没有针对机载平台飞行高度变化的实时补偿功能及装置，同时现有文献中也没有关于机载激光雷达飞行高度变化的实时补偿技术的研究、描述和报道。 

发明内容

针对上述机载激光雷达系统现有测量技术中不能补偿飞行高度变化的缺陷，本发明提供了一种用于机载激光扫描飞行高度变化实时补偿的方法与装置，其实现目的是，当飞行高度实时变化时，机载激光雷达的地面扫描激光点云的扫描带宽和激光点密度始终保持不变。而为了实现这一目的，当飞行高度变化时，需要实时监测出飞行高度的变化，然后根据飞行高度的变化值（与设定飞行高度相比），一方面，相应调整激光扫描视场角的大小，使扫描点云带宽不变；另一方面，由于扫描镜的转速不变，扫描视场角变化了，相应的激光有效发射时间与扫描视场角大小成正比，因此若要保持激光扫描点密度不变、而每行扫描点数不变的情况下，只要相应地调整激光脉冲发射频率即可。即要实现飞行高度变化时仍保持地面激光扫描点云的带宽和点密度不变，只要相应调整扫描视场角大小和激光脉冲发射频率即可实现。