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森林场景下无人机激光雷达数据采集与预处理

GIS前沿  · 公众号  ·  · 2024-09-03 20:37

正文

前言

机载激光雷达 相比于地面激光雷达具有更高的 数据采集效率 ,能在短时间内实现局地范围数据采集,而相比于星载激光雷达,具有 更高的空间分辨率 。机载激光雷达能够为林业资源调查和生态监测提供更精确、更全面的数据支持。目前,机载激光雷达已被广泛用于 确定森林内的单木数量、提取单木冠层结构、树高以及计算森林覆盖度 。但在使用机载激光雷达时,需要根据具体应用 选择合适的雷达系统参数和数据处理技术 ,以保证数据的质量和可靠性。同时,在数据采集过程中,还需要注意 飞行高度、飞行速度、天气状况 等因素对 数据质量的影响 ,并及时调整相关参数以提高数据质量。 下文以禅思L2为例,重点介绍在森林植被场景下的采集数注意事项、飞行前参数设置以及数据采集后的预处理

数据采集

禅思L2传感器参数

禅思L2集成了一个 激光雷达传感器 和一个 RGB 可见光传感器 ,拍摄的 RGB 影像可用于 点云附色
激光雷达的 波长为 905 nm ,如下图所示,该波长下植被反射系数接近0.5、土壤反射系数接近0.4;

最大回波数量 是5一般指一个脉冲可以获取5个点,该参数可设置;
激光发散角即为激光雷达发射脉冲的张角 ,但水平 0.2 mrad,垂直 0.6 mrad应该是指的半张角,因为其在100米飞行高度对应的光斑大小是水平 4 厘米,垂直 12 厘米。

激光雷达可设置两种 扫描模式 :1、重复扫描(FOV:水平 70°,垂直 3°),2、非重复扫描(FOV:水平 70°,垂直 75°)。在森林场景, 非重复扫描 相较于重复扫描获取数据的 角度更多 ,所以非重复扫描可以得到 更丰富的植被结构信息 。该模式对于获取树木主干点云更有利,所以在林业、生态应用一般选择非重复扫描模式。

注意
  1. 禅思 L2技术参数参数,在系统性能写到 量程 :450 米(反射率 50%,0 klx),250 米(反射率 10%,100 klx)。 klx 是指的光照强度,光照强度越低,量程越远,所以在 阴天扫描效果胜于晴天 。对于反射率,如果不确定的话,可以查看对应波长下的目标物的光谱特性。

  2. 其所给的量程是在脉冲为同一高度目标完全拦截, 若一个脉冲先后被不同高度目标所拦截,那么其量程会变短

  3. 雨后、大雾天气进行扫描 ,脉冲的部分能量会被水滴吸收,反射能量减弱,导致量程变短、扫描后的数据质量不佳(点云密度下降,主要体现在地面点上)。
    总而言之,对于林业、生态方面的应用,不要在雨后、大雾天(清晨部分山体被雾笼罩)的环境下采集数据,结合905nm植被与土壤的光谱反射特性、以及脉冲可能被多层截获,目标物与传感器距离最好控制在300米以内。

重要飞行参数设置

  1. 规划航线 。手动绘制或导入kml;

  2. 选择对应的机型、相机型号;

  3. 进行 负载设置 ,回波模式需要根据扫描场景进行选择,如果是 森林场景建议选择五回波 ,如果回波数少会导致点云稀疏、甚至在密林仅能获取极其稀疏的地面点;

  4. 扫描模式设置为 非重复扫描
    正射GSD是rgb影像的分辨率, 点云密度是理论上获取的点云密度,真实的点云密度还受到扫描场景、以及环境的影响

  5. 打开惯导标定,高级设置中 点云重叠率默认为20% ,可适当调高。这个重叠率需要根据你的精度需求进行设定,我认为在森林场景中非重复扫描模式,设置在40%~60%即可。其它参数默认即可。

  6. 仿地飞行在地形起伏较大的山地建议打开。

数据预处理

使用 大疆智图 对采集的数据进行点云建图。 解算参数设置:

  1. 导入数据 。直接导入对应的飞行工程的文件夹;

  2. ppk解算 。若购买ppk服务,可打开ppk解算。受地形起伏遮挡信号的影响,可能导致RTK信号在飞行中断连, 采用 PPK 模式进行后差分数据解算,可保证数据解算的准确性

  3. 点云密度 。激光雷达点云 _> 点云密度。可按距离和点云百分比,对于百分比100%就是原始密度,低于100%就相当于抽稀;

  4. 点云处理 。点云 有效距离 设置,指的是仅保留点云与lidar传感器的距离小于有效距离的点,点云 精度优化、点云平滑、地面点分类、生成DEM 都可以选上,地面点分类选择扫描区域的实际地形即可,其它参数可默认;

  1. 高级设置 。选择 输出的坐标系 ,以及要 输出的点云格式 ,一般输出 las格式 的点云数据足矣。开启 点云合并 是为了将多个点云成果文件合并为一个。
    处理结果如下图 :对点云进行rgb附色后还是很有震撼力的

下图为机载的 单木点云 (森林边缘树):单木树冠点云目视还可以,但几乎无树木主干信息。



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