基于DEM的山区机载LIDAR航线设计

2015-08-06赵英俊伊丕源

铁道勘察 2015年1期

童鹏简骁赵英俊伊丕源

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029;2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

机载激光雷达航线设计是根据航摄任务书的内容和要求，结合机载激光雷达测量系统和飞行器参数，将目标区域划分为一定数量的区块，完成每一个区块航线的设计，并将设计的成果提交给飞行单位，由飞行单位审核通过的过程[1］。航线设计质量的好坏将直接影响数据采集的效率以及质量。在实际生产中，特别是对山区而言，地形的起伏会影响到相邻航带的旁向重叠度，重叠度的大小直接关系到航飞时航线的数量，影响到是否会产生航线漏洞，能否达到规定精度范围。

基于DEM的航空摄影航线优化设计方法，是在已知测区的DEM、雷达测量系统参数和飞行器参数的情况下，自动计算出适合该区域的旁向重叠度，并据此来设计出最优航线。

2 机载激光雷达航线设计

航线设计应首先确认测图比例尺，在遵循《机载激光雷达数据获取技术规范》、《地形图航空摄影规范》的基础上[2，3］，根据机载激光雷达测量系统以及飞行器的实际参数，制定飞行高度并且划好航摄分区，以此来进行航线设计。

2.1 确认测区平均基准面

平均基准面是航摄分区内具有代表性的多个高点及低点的平均高程[6］，即式中:Hj为平均基准面的高度为区块内高点的平均高程;为区块内低点的平均高程。

2.2 确定飞行高度

根据测图比例尺的要求，参考《机载激光雷达数据获取技术规范》获取点密度要求，根据各激光传感器的实际参数，确定飞行高度(如表1)。

表1 点云密度要求

根据表1，选择合适的机载激光雷达测量系统，按照其激光发射脉冲的频率确认飞行高度，一般机载激光雷达测量系统的理论飞行高度为

其中:H为在当前激光发射脉冲频率下激光雷达测量系统可以飞行的最大高度，c为光速，PRF为激光发射脉冲频率。

2.3 计算旁向重叠度

在地形起伏较大的山区进行航空摄影时，重叠度计算必须加入由于地形起伏引起重叠度误差的改正。

图1 地形起伏对重叠度的影响

图1 中，S1和S2为两条航线，两条航线之间的距离为基线B，Δh为S1航线范围内地面最高点到平均基准面距离，Py为航线在平均基准面上的旁向重叠度长度为地面上的实际旁向重叠长度，Ly为航线在平均基准面上的长度为航线在地面上的实际长度。

根据图1可知，此处旁向重叠区域高程在平均基准面高程之上，其实际重叠度达不到任务需求，此时需要调整基线长，即 S2调整至 S'2处，即[1，4-5］

式中，qy是基准面上的新旁向重叠度，q'y为实际地面点的旁向重叠度，Δh为相对于平均基准面的高差，Hs为飞行高度相对于平均基准面的高差。

根据测区地形起伏情况，以第一条航线为基准，调整其与相邻航线的间隔，保证相邻两条航线覆盖的实际地面重叠度满足设计重叠度的要求，减少地形起伏对重叠度的影响。当整个测区的航线都被计算出来，即完成给定重叠度情况下的航线设计。

3 实验对比分析

以山东某地区为例进行试验分析，航摄参数如表2。

表2 航摄任务书指定参数

根据航摄任务书的要求，可知该测区高程为96～1 437 m，地形起伏比较大，最大高差有1 300 m。若不考虑地形起伏，则设计的相邻两条航线重叠区内最高点的重叠度可能小于航摄任务书要求的最小旁向重叠度，甚至有出现漏洞的风险。这样一来，就需要调整基线长度，设计出满足重叠度要求的航线。

图2 不考虑DEM

图3 考虑DEM

表3 航线信息对比

图2为不考虑DEM的航线设计结果，图3为考虑DEM的航线设计结果。通过对这两种情况的航线进行比较，可以看出在地形起伏区域，考虑DEM的必要性:

在不考虑DEM的结果中，第2～7条相邻航线重叠区内最高点的重叠度出现了负值，说明在该区域会出现漏洞。第7～9条相邻航线其最高点的重叠度小于设计要求的最小重叠度15%的要求，这样的设计无法达到航摄任务书的要求。而在考虑DEM的航线设计中，对于地形起伏较大的区域来说，相对应的缩小了相邻航线之间的基线长，保证了在地形起伏区域，相邻航线重叠区内最高点的重叠度满足航摄任务书的要求(如表3)。