单点激光扫描成像模式的优化方案

目前应用最多的激光雷达成像仪是以点对点的方式进行距离测量，最常用也是最成熟的成像方式是点阵扫描方式。按照扫描方式的不同，它又可以分为Z 字形扫描方式和圆锥形扫描方式(黎明焱，2016)。

(1)单点Z 字形激光扫描如图1-2 所示。XOY 为机载扫描参考坐标系，其中X 轴正方向为飞机飞行方向、Z 轴正方向为测距方向、Y 轴正方向为摆扫正方向。跟随飞机飞行方向激光脚点逐渐前移，同时机械扫描装置往复摆扫，以此形成地面Z 字形激光脚点航迹。

(2)单点圆锥形激光扫描如图1-3 所示。XOY 为机载扫描参考坐标系，其中X 轴正方向为飞机飞行方向、Z 轴正方向为测距方向、Y 轴正方向为飞机左机翼方向。摆扫系统按顺时针方向往复摆扫，同时飞机保持向前飞行以此形成地面激光脚点圆锥形轨迹。由于该方法对被测目标面覆盖面积大，因此平面分辨率较高，但系统较单点Z 字形扫描复杂。

图1-2　单点Z 字形激光扫描示意图(黎明焱，2016)

图1-3　单点圆锥形激光扫描示意图(黎明焱，2016)

上面两种扫描方式各有各的特点，如图1-2 中，激光扫描方式为按照Z 字形扫描方式进行扫描作业。由于它的扫描角度比较大。一般大约为±30°，且扫描带宽比较大，从而激光脚点间距相应比较大。如图1-3 中，激光扫描方式为按照圆锥形扫描方式进行扫描作业，它由于激光脚点在扫描过程中有重叠部分，所以相对于按照Z 字形扫描方式，激光脚点间距相应要小。但总体上，点阵扫描方式激光雷达的激光脚点比较稀疏，地面一些没有激光脚点的区域要通过插值来得到该区域的三维坐标。

由于点阵扫描方式激光雷达测量系统在测量地面目标距离时需要进行扫描，所以它必须要配有相应的机械扫描装置和驱动电路，但由于机械扫描装置和驱动电路比较笨重，从而使激光雷达测量系统结构的复杂度大大增加。机械扫描带来的误差，不仅使得测距精度低，整个系统过于笨重，而且使得成像速度慢，相应的测量成本也高。人们对机载雷达探测的数据精度以及低成本的要求越来越高，相应的点阵扫描方式激光雷达测量系统已经不能满足人们的要求，人们开始寻找测距精度更高，经济成本更低的测量系统。20 世纪90年代，一种全新的激光雷达测量系统——面阵无扫描激光雷达测量系统进入人们的视野(李芳菲等，2009)。面阵无扫描激光雷达测量系统是采用面阵激光光源照射到地面，然后通过APD 面阵接收器接收地面不同地物反射回去的激光脉冲信号来确定地面目标的三维坐标信息(张璐璐，2006)。面阵无扫描激光雷达测量系统由于是面阵式，每次处理地面上一个面的激光脚点信息，相比点阵扫描方式激光雷达测量系统来说，它具有更高的探测精度、更快的探测速度和更紧凑的系统结构(姚金良，2010)。面阵无扫描激光雷达测量系统不管是在军用还是民用方面，都有广泛的应用；作为一种全新的高技术武器，它在预警探测、精确制导等方面具有良好的应用前景(李进等，2005)。面阵无扫描激光雷达测量系统能够快速大面积的获取地面三维坐标信息，它在信息化作战的今天发挥着至关重要的作用，并且为城市三维建模提供了强有力的帮助(张小红，2007)。

机载单点激光Z 字形扫描测距系统主要有两种数据处理方式及对应的系统模型，即基于相对坐标的增量式数据拼接和基于绝对坐标的数据配准、拼接。本书主要研究基于相对坐标的增量式数据拼接，与我国最早的863 推帚式激光测距系统数据处理类似，不需要机载定位系统提供数据支持，模型结构简单但是数据拼接后的模型存在配准、脚点偏移误差。

如图1-4 所示，假设飞机飞行时机身与地面水平面保持平行，激光测距值为r，瞬时偏转角为a，并由此计算激光脚点正射高度，进而将激光雷达测距r 转换为激光脚点距离机载激光发射点垂直距离。

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图1-4　水平飞行扫描角度与距离关系图

显然测距值r、瞬时扫描角a、对应激光脚点正射距离h 之间满足式(1-1)的计算关系。

式(1-1)中瞬时扫描偏角a 可根据系统扫描镜最大扫描角度2β (左右各β，单位度)、扫描频率f 计算。我们假设扫描镜初始位置为与地平面垂直方向、初始扫描为垂直于飞机飞行方向从左向右如图1-5 中1 表示的扫描方向，扫描镜扫描角度范围为- β ～+ β。如图1-5 所示，可以建立扫描镜偏转角和时间的关系函数。

图1-5　扫描镜偏转角和时间的关系

由于cos 函数角度在-90°～+90°时数值均为正，因此只考虑a 角度大小即可，图1-4中的正负扫描角只用于区分扫描方向。根据扫描角与时间的关系可建立式(1-2)，其中扫描角速度为ω，INT 为取整函数，式(1-2)计算的瞬时扫描角a 与图1-4 所示的扫描镜偏转角和时间的关系完全一致。

图1-6　机载单点激光Z 字形扫描测距激光脚点平面模型

根据机载单点激光Z 字形扫描测距系统参数，如飞机飞行速度、水平扫描频率、激光测距重复频率可建立激光脚点平面模型。如图1-6 所示，激光扫描起始位置位于最右边，每一个红点位置表示激光雷达探测脚点的水平二维坐标。若是初始位置和扫描方向变化，只需对激光脚点航迹做整体平移即可。该模型的优点是简单、快捷，后期数据按照增量式拼接，数据处理只与时间建立关系；缺点是整个点云数据处理的过程中都没有涉及绝对坐标(WGS-84 坐标)，只通过理想化情况推演机载激光脚点相对坐标，且只能进行单次扫描建模(由于没有绝对坐标不能进行多次扫描重叠数据之间的复杂配准、拼接)。上述机载单点激光Z 字形扫描测距系统增量式距离成像模型，假设飞机飞行速度及方向稳定，即机载扫描参考坐标系只相对飞机飞行方向做平行于地平面的平移运动，但实际的测量过程是不确定的，为了更好地复现被测量地区地面地形特征，许多专家学者采用基于POS的机载激光测距系统坐标转换模型，以被测量点激光脚点绝对坐标进行数据配准，实现更为精确的数据拼接和绘图效果。POS 系统包含的GPS 和IMU 这两项核心技术受国外技术限制，我国机载激光扫描系统发展缓慢、地面分辨率较低，虽然我国现在已经发展了北斗卫星导航系统，不过在高精度惯性导航应用方面仍然与国外有不小的差距。