CN112347556B - 一种机载lidar航摄设计配置参数优化方法及系统 - Google Patents

一种机载lidar航摄设计配置参数优化方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法及系统,结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型,根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,若不满足,则依次取使效率值次大时的航摄参数值,直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。根据LIDAR设备能力、飞行器能力以及地形特点,构造效率函数分析各项参数的合理值,使得LIDAR覆盖范围大,飞行航线少,飞行时间短,从而提高飞行效率。

Description

一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法及系统
技术领域
本发明实施例涉及数字航空摄影技术领域,具体涉及一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法及系统。
背景技术
带有同步影像数据采集的机载激光雷达(air-borne LIDAR)系统能够有效地获取三维信息。合理的飞行参数能够确保数据质量达到预期的效果。然而,预期的数据获取效率会因飞行参数(飞行高度、飞行速度、飞行方向等)和扫描仪参数(扫描角度、扫描频率等)的变化而改变。现有技术中根据要求的点云密度、扫描频率、扫描线速度等指标,依照航空摄影测量原理以及机载LIDAR数据获取规范,从中区别机载LIDAR与传统摄影测量学的不同,并借鉴机载LIDAR的数据采集方式与传统挂载专业相机的摄影测量的相似之处,判定在不同情形下激光的测距变化(例如测区内不同类型的目标反射率不同或大气能见度不同导致的最远测距能力的变化等)),在考虑以上问题基础上,对机载LIDAR系统进行航线设计。上述方案能够在一定程度上解决LIDAR航线设计问题,但仍存在一些缺点:参数没进行深入分析,达不到最优化参数,使得飞行时间较长,效率较低。
发明内容
为此,本发明实施例提供一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法及系统,以解决现有的机载LIDAR航线设计存在的参数没进行深入分析,达不到最优化参数,飞行时间较长,飞行效率较低的问题。
为了实现上述目的,本发明实施例提供如下技术方案:
根据本发明实施例的第一方面,提出了一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法,所述方法包括:
结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型;
根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。
进一步地,结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型,具体包括:
结合各参数对效率的影响关系,设计效率函数,
T=W/R*L/v (1);
其中,T为效率值,R为扫描宽度值,W为航摄区域宽度,L为航带长度,v为飞行速度;
飞行高度H通过扫描频率f、视场角a、飞行速度v与点密度d计算,计算公式如下,
H=f*a/(720*tan(a/2)*v*d) (2);
扫描宽度值R利用下列公式计算,
R=2*H*tan(a/2) (3)
结合式(1)、(2)、(3)得到效率函数模型:
T=360WL/fa (4)。
进一步地,判断飞行高度是否满足航高限制具体包括:
MTA1区域允许的最高航高为H'max为,
H'max=min{H1,H2} (5)
其中,c为光速,当飞行高度H不超过H'max时,满足航高限制要求。
进一步地,对于起伏地形:
设计效率函数为:
TH=360WL/fa*f*a/(720*tan(a/2)*v*d)=WL/(2*tan(a/2)*v*d) (9)。
根据本发明实施例的第二方面,提出了一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化系统,所述系统包括:
效率函数模型构建模块,用于结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型;
参数最优值获取模块,用于根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。
本发明实施例具有如下优点:
本发明实施例提出的一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法及系统,结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型,根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,若不满足,则依次取使效率值次大时的航摄参数值,直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。根据LIDAR设备能力、飞行器能力以及地形特点,构造效率函数分析各项参数的合理值,使得LIDAR覆盖范围大,飞行航线少,飞行时间短,从而提高飞行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是示例性的,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例1提供的一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法的流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1提出了一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法,如图1所示,该方法包括:
S100、结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型。
效率函数需要考虑3个因素,航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度,只有将这几个参数的影响合理涉及到函数中才能使得效率最高。航摄覆盖范围越大,飞行效率越高;飞行高度越高,航摄覆盖范围才越大,飞行效率越高;飞行速度越快,飞行时间越短,效率越高,因此根据这些关系设计效率函数。
步骤S100具体包括:
结合各参数对效率的影响关系,设计效率函数,
T=W/R*L/v (1);
其中,T为效率值,R为扫描宽度值,W为航摄区域宽度,L为航带长度,v为飞行速度;
飞行高度H通过扫描频率f、视场角a、飞行速度v与点密度d计算,计算公式如下,
H=f*a/(720*tan(a/2)*v*d) (2);
扫描宽度值R利用下列公式计算,
R=2*H*tan(a/2) (3)
结合式(1)、(2)、(3)得到效率函数模型:
T=360WL/fa (4)。
视场角对点云密度存在影响,角度越大边缘区域点云密度越小,因此需要计算边缘密度与旁向重叠后点云密度达到要求时的角度范围。通过计算视场角a最大130度时,旁向点密度重叠后可以满足点云密度要求。
S200、根据效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。
每个频率下航高应该满足一定条件,这样才能正常接收到点。进一步地,判断飞行高度是否满足航高限制具体包括:
(多周期回波,multi time around)MTA1区域允许的最高航高为H'max为,
H'max=min{H1,H2} (5)
其中,c为光速,当飞行高度H不超过H'max时,满足航高限制要求。
各航摄参数一般具有其特定的取值范围和取值点,在各参数的取值范围中如何选择出最佳的参数值需要首先对效率函数模型进行分析,分析各航摄参数对效率值的影响关系。比如通过对式(4)的分析,可以看出扫描频率f越大效率越大,视场角a越大效率越大,可以优先选择扫描频率f最大值和视场角a最大值进行计算效率值,在计算效率时,同时计算航高,满足航高限制要求后才可用,否则继续取下一组次优的参数值计算限高与效率值,直到满足限高为止,最后确定满足航高限制的最大效率时的各个参数值即为最优值组合。
进一步地,对于起伏地形,除了效率最大外,航高尽可能高,这样才能适用地形,因此设计效率函数为:
TH=360WL/fa*f*a/(720*tan(a/2)*v*d)=WL/(2*tan(a/2)*v*d) (9)。
从此式(9)可以看出,此效率仅与角度、速度有关,角度速度越大效率越大。因此在计算效率时,同时计算航高最大值,满足后才可用,最后求出满足航高限制的最大效率时的各个参数值。
具体计算实例:对于点密度为每平方米50点情况,通过(4)式可以看出,频率与角度越大,用时越短,效率越大,因此在频率最高、角度最大的情况下,用不同速度计算高度,满足要求的最大高度即为最佳值。计算如下表:
在最高频率550000赫兹,视场角120度以下,理论高度才能满足要求,在此情况下速度为9米/秒时,理论航高计算为117米,限制为113米,实际飞行用113米,这时效率最高。同时如果考虑航高最大化时,550000赫兹,视场角90度,速度8米/秒,是一个好的选择。如果兼顾高度与效率,550000赫兹,视场角100度,速度8米/秒,也是一个好的选择。同样在此高频率380000赫兹,最大视场角130度下,效率比上述都低,因此不作为选择考虑。其他情况效率也都更低,因此不需要考虑。
与上述实施例1相对应的,本发明实施例2提出了提出了一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化系统,该系统包括:
效率函数模型构建模块,用于结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型;
参数最优值获取模块,用于根据效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值。
本发明实施例2提供的一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化系统中各部件所执行的功能均已在上述实施例1中做了详细介绍,因此这里不做过多赘述。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化方法,其特征在于,所述方法包括:
结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型;
根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值;
结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型,具体包括:
结合各参数对效率的影响关系,设计效率函数,
T=W/R*L/v (1);
其中,T为效率值,R为扫描宽度值,W为航摄区域宽度,L为航带长度,v为飞行速度;
飞行高度H通过扫描频率f、视场角a、飞行速度v与点密度d计算,计算公式如下,
H=f*a/(720*tan(a/2)*v*d) (2);
扫描宽度值R利用下列公式计算,
R=2*H*tan(a/2) (3)
结合式(1)、(2)、(3)得到效率函数模型:
T=360WL/fa (4);
判断飞行高度是否满足航高限制具体包括:
MTA1区域允许的最高航高为H'max为,
H'max=min{H1,H2} (5)
其中,c为光速,当飞行高度H不超过H'max时,满足航高限制要求;
对于起伏地形:
设计效率函数为:
TH=360WL/fa*f*a/(720*tan(a/2)*v*d)=WL/(2*tan(a/2)*v*d) (9)。
2.一种机载LIDAR航摄设计配置参数优化系统,其特征在于,所述系统包括:
效率函数模型构建模块,用于结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型;
参数最优值获取模块,用于根据所述效率函数模型,对模型中的各航摄参数对效率值的影响关系进行分析;
根据分析结果,取使效率值最大化时的各航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制;
若满足,则选取的各航摄参数值即为各参数最优值;
若不满足,则取使效率值次大时的航摄参数值计算效率值和飞行高度,并判断飞行高度是否满足航高限制,重复以上过程直至飞行高度满足航高限制为止,获得各航摄参数最优值;
结合航摄覆盖范围、飞行高度和飞行速度参数以及各参数对效率的影响关系,构建效率函数模型,具体包括:
结合各参数对效率的影响关系,设计效率函数,
T=W/R*L/v (1);
其中,T为效率值,R为扫描宽度值,W为航摄区域宽度,L为航带长度,v为飞行速度;
飞行高度H通过扫描频率f、视场角a、飞行速度v与点密度d计算,计算公式如下,
H=f*a/(720*tan(a/2)*v*d) (2);
扫描宽度值R利用下列公式计算,
R=2*H*tan(a/2) (3)
结合式(1)、(2)、(3)得到效率函数模型:
T=360WL/fa (4);
判断飞行高度是否满足航高限制具体包括:
MTA1区域允许的最高航高为H'max为,
H'max=min{H1,H2}(5)
其中,c为光速,当飞行高度H不超过H'max时,满足航高限制要求;
对于起伏地形:
设计效率函数为:
TH=360WL/fa*f*a/(720*tan(a/2)*v*d)=WL/(2*tan(a/2)*v*d) (9)。
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