激光原理考試復習資料

1、或“受激發(fā)射光放大”1 .激光原理（概念，產(chǎn)生）：激光的意思是“光的受激輻射放大”它包含了激光產(chǎn)生的由來。刺激、激發(fā)，散發(fā)、發(fā)射，輻射2 .激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）單色性好（4）相干性好：3 .激光雷達：激光雷達，是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。工作在紅外和可見光波段的雷達稱為激光雷達。4 .激光的回波機制：激光雷達的探測對象分為兩大類，即軟目標與硬目標。軟目標是指大氣和水體（包括其中所包含的氣溶膠等物質(zhì)）等探測對象，而硬目標則是指陸地、地物以及空間飛行物等宏觀實體探測對象。軟目標的回波機制：（1） Mie散射是一種散射粒子的直徑與入射激光波長相當或比之更大的一種散射機制。Mie

2、散射的散射光波長與入射光波長相當，散射時光與物質(zhì)之間沒有能量交換發(fā)生。因此是一種彈性散射。（2） Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波長等于入射光波長，而且散射粒子遠遠小于入射光波長，沒有頻率位移（無能量變化，波長相同）的彈性光散射。（3） Rama射（拉曼散射）：拉曼散射是激光與大氣和水體中各種分子之間的一種非彈性相互作用過程，其最大特點是散射光的波長和入射光不同，產(chǎn)生了向長波或短波方向的移動。而且散射光波長移動的數(shù)值與散射分子的種類密切相關(guān)。（4）共振熒光：原子、分子在吸收入射光后再發(fā)射的光稱為熒光.當入射激光的波長與原子或分子內(nèi)能級之間的能量差相等時，激光與原子或分子的相互作用過

3、程變?yōu)楣舱駸晒狻＃?）吸收：吸收是指當入射激光的波長被調(diào)整到與原子分子的基態(tài)與某個激發(fā)態(tài)之間的能量差相等時，該原子、分子對入射激光產(chǎn)生明顯吸收的現(xiàn)象。硬目標的回波機制：激光與由宏觀實體構(gòu)成的硬目標作用機制反射、吸收和透射。當一束激光射向硬目標物體時，一部分激光能量從物體表面反射、一部分激光能量被物體吸收、而剩下的激光能量則將穿透該物體。硬目標對激光能量的反射機制最為重要。硬目標回波機制包括：鏡面反射、漫反射，方向反射1 .機載激光雷達系統(tǒng)組成：機載LiDAR系統(tǒng)由測量激光發(fā)射點到被測點間距離的激光掃描儀、測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)的高精度慣性導航系統(tǒng)（IMU）、用于確定掃描投影中心的空間

4、位置的動態(tài)差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（DGPS、確保所有部分之間的時間同步的同步控制裝置、搭載平臺等部分組成。另外，還配備有數(shù)據(jù)記錄設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件等2 .機載激光雷達定位原理：機載LiDAR系統(tǒng)采用極坐標定位原理，其確定地面點三維坐標的數(shù)學本質(zhì)是：對一空間向量，已知其模和其在物方坐標空間中的方向，如果知道向量起點的空間坐標，則該向量的另一端點的坐標可唯一確定3 .機載激光雷達測量作業(yè)生產(chǎn)流程：主要包括航攝準備、航攝數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)后處理等環(huán)節(jié)。4 .機載LiDAR技術(shù)相關(guān)術(shù)語：點云：LiDAR獲取的是離散的三維坐標數(shù)據(jù)，數(shù)量多在空間分布毫無規(guī)律，人們形象稱之為點云。瞬時視場角：機載Li

5、DAR系統(tǒng)通過發(fā)射和接收激光脈沖的信號實現(xiàn)測距，每束激光脈沖與發(fā)射器法線方向都不一致，因而視場角大小不同；瞬時視場角指的是每次激光脈沖的視場角。多次回波：同一激光脈沖可以有多次反射信號。脈沖頻率：激光脈沖的頻率（每秒出現(xiàn)的次數(shù)）掃描頻率：以線掃描系統(tǒng)為例，指掃描鏡從一端旋轉(zhuǎn)到另一端所用時間的倒數(shù)。激光腳點：單個激光脈沖在地面的反射區(qū)域。濾波分類（Classification）:對點云數(shù)據(jù)中不同類型的點的屬性按一定的規(guī)則進行劃分，形成不同的點集（如地面點集、建筑物點集、植被點集等）裸地或地表：指的是在濾波分類基礎(chǔ)上形成的地面點集合。最小飛行高度：飛行位置相對基準面的最短距離，它的大小取決于飛行平

6、臺的類型、探測區(qū)域的地形、激光對人眼的安全距離和飛行的安全距離等掃描帶寬：系統(tǒng)掃描時形成的帶狀掃描區(qū)域的寬度旁向激光腳點間距：在同一掃描線中，垂直于航線方向的激光腳點之間的距離。航向激光腳點間距：相鄰掃描線中，平行于航線方向的激光腳點的中心距離。5 .機載LiDAR數(shù)據(jù)組成及數(shù)據(jù)格式：組成：包含了激光測距數(shù)據(jù)、GPSa據(jù)、INS數(shù)據(jù)、同步時間數(shù)據(jù)、多波段傳感器的數(shù)據(jù)等。這其中有些是過程數(shù)據(jù)，例如：INS數(shù)據(jù)、GPSa據(jù)等；有些是結(jié)果數(shù)據(jù)，如：坐標數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、回波強度數(shù)據(jù)等。根據(jù)目前的硬件情況，機載LiDAR系統(tǒng)提供的基本信息是三維點云數(shù)據(jù)和強度信息數(shù)據(jù)，依據(jù)具體搭載和配置的傳感器的不同，很

7、多機載激光雷達設(shè)備還能夠提供全波形數(shù)據(jù)、中等幅面的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，甚至還有多光譜數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)格式：目前國際上常用的LiDAR數(shù)據(jù)存儲格式包括ASCII文本、柵格以及自定義二進制格式及LAS格式等。6 .機載LiDAR數(shù)據(jù)特點：1.激光雷達數(shù)據(jù)是不連續(xù)的。2.激光雷達獲得的數(shù)據(jù)不僅是一次回波而是多次回波3.強度數(shù)據(jù)：機載LiDAR系統(tǒng)除了能獲得多重回波數(shù)據(jù)之外，還能同時獲得回波信號的強度。4.激光腳點密度不均勻。5.海量數(shù)據(jù)6.航帶覆蓋面積較小7.獲取同名點困難8.存在數(shù)據(jù)盲區(qū)或者數(shù)據(jù)空洞區(qū)域9.缺少光譜信息7.機載LiDAR技術(shù)與航空攝影測量技術(shù)的比較：1 .獲取數(shù)據(jù)的機理和采集到原始數(shù)據(jù)不同：

8、1）航空攝影測量依據(jù)透視幾何的原理成像，獲得的數(shù)據(jù)是航空像片或數(shù)碼影像。2）機載LiDAR技術(shù)依據(jù)的是極坐標幾何定位原理，其獲得的原始數(shù)據(jù)是離散點的三維坐標2.硬件方面差別：激光雷達系統(tǒng)能耗大，操作復雜，可靠性差，系統(tǒng)成本高機載，掃描器壽命短。攝影測量系統(tǒng)操作容易，簡便，可靠性高，系統(tǒng)成本便宜。3.精度的差另IJ:機載LiDAR同攝影測量相比，所受的誤差影響和因素更多，推導誤差的傳播模型更為復雜。4.產(chǎn)品質(zhì)量的差別：與光學影像相比，機載LiDAR能夠穿透植被冠層而到達地表，一般認為機載LiDAR是比較理想的獲取森林地區(qū)DEM勺數(shù)據(jù)源。5.生產(chǎn)周期的差別：機載激光雷達系統(tǒng)直接獲取距離觀測值，其生

9、產(chǎn)DE般比攝影測量快的多。6.生產(chǎn)成本的差別：除去硬件成本，僅就獲取DEM三維模型而言，機載LiDAR的成本要遠低于航空攝影測量。8 .機載LiDAR系統(tǒng)誤差源分析：1 .量測誤差，主要包括激光測距誤差、GPS定位誤差、IMU姿態(tài)誤差；2.集成誤差，即系統(tǒng)各部件觀測值集成過程中的系統(tǒng)集成誤差，包括硬件安置誤差和數(shù)據(jù)處理誤差。2 .激光測距誤差：激光測距的誤約為23cm,2、DGPSt位誤差：GPS定位誤差（主要誤差源）為5cm左右，3、姿態(tài)量測誤差：目前，在國內(nèi)民用INS系統(tǒng)的精度水平為：航偏、側(cè)滾和俯仰。，采用GPS/INS組合的精度水平為;國外先進的GPS/INS組合的精度水平為：航偏。、

10、側(cè)滾和俯仰。4、掃描角誤差：固定的5、偏心距誤差主要是GPS接收機天線中心到激光束在掃描鏡上發(fā)射點的距離的量測誤差。6、安置角誤差：安裝后IMU各軸指向與激光掃描儀的各軸指向間有一個微小的角度差，安置角誤差通常度度.1地面三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成：激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)。攝像機主要用于目標對象影像信息的數(shù)據(jù)采集，其獲取的彩色圖像中，包含了目標對象的真彩色紋理，當使用計算機系統(tǒng)對目標對象進行三維可視化的展示時需要用到此類信息。3 .儀器內(nèi)部控制與校正系統(tǒng)不僅可以控制儀器內(nèi)部各系統(tǒng)的聯(lián)合工作并且還可以進行有效校正。3.激光測距系統(tǒng)采用非

11、接觸方式，利用激光束從發(fā)射到接收的時間差或者相位差來精確、高速地測量掃描點與掃描儀的距離。2.地面三維激光掃描系統(tǒng)定位原理：激光測距系統(tǒng)采用非接觸方式，利用激光束從發(fā)射到接收的時間差或者相位差來精確、高速地測量掃描點與掃描儀的距離。激光掃描系統(tǒng)通過勻速旋轉(zhuǎn)的反射鏡引導激光束以等角速度的方式發(fā)射，并測量激光束的水平方向與豎直方向的角度。兩系統(tǒng)相結(jié)合，即可計算出每一個掃描點的空間三維坐標。原始數(shù)據(jù)：1 .地面激光掃描儀的觀測數(shù)據(jù)為與目標對象表面對應的密集三維離散點，一般情況下將其稱為點云數(shù)據(jù)。2.兩個連續(xù)轉(zhuǎn)動的、用來反射脈沖激光的反射鏡的角度值，即橫向掃描角度觀測值a和縱向掃描角度觀測值。；通過脈

12、沖激光傳播的時間（或相位差）計算得到的儀器到掃描點的距離值S;該兩項數(shù)據(jù)用來計算掃描點的3維坐標值。3 .掃描點的反射強度，用來給反射點匹配灰度信息。4 .三維激光掃描儀的點云誤差分析：測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點的坐標偏差，可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。測量系統(tǒng)的偶然性誤差則是隨機產(chǎn)生的。三維激光掃描誤差可分為點云的定位誤差（儀器相關(guān)誤差、目標相關(guān)誤差、環(huán)境相關(guān)誤差）和點云配準誤差。1.激光的測距誤差：激光測距誤差綜合體現(xiàn)為測距中的固定誤差和比例誤差，可以通過儀器檢定確定測距誤差的大小。2.儀器的測角誤差：掃描角的影響包括橫向掃描角度和豎向掃描角度測

13、量的影響。測角誤差包括視準軸誤差、水平角誤差和垂直角誤差3 .目標顏色引起的誤差：作為一種特殊的電磁波，激光照射到不同目標表面，其被反射和吸收的程度也不一樣，激光接收單元在單位時間內(nèi)接收到的激光能量的差異發(fā)生變化，造成測量結(jié)果的差異。一般而言，亮色的表面比暗色的表面測量精度高。4.外界環(huán)境條件引起的誤差：外界環(huán)境條件主要為溫度、氣壓等的變化。溫度得變化對精密儀器產(chǎn)生細微的影響、掃描時風的作用、激光在空氣中傳播的折射效應等。惡劣的外界環(huán)境也會使三維激光掃描儀產(chǎn)生較大的誤差。5 .三維激光掃描工作流程：地面三維激光測量技術(shù)工作流程大致分為準備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三部分。在具體工作開展之

14、前需要制定詳細的工作計劃并做好準備工作，主要包括根據(jù)掃描對象的不同和精度的具體要求設(shè)計一條合理的掃描路線、確定采樣密度、儀器至掃描物體的距離、設(shè)站數(shù)等；外業(yè)工作主要是數(shù)據(jù)采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是最重要也是工作量最大的環(huán)節(jié)，主要包括點云著色、點云去噪、濾波、數(shù)據(jù)壓縮、圖像處理、地物建模、特征提取、紋理映射等。6 .數(shù)據(jù)處理:1 .點云數(shù)據(jù)的去噪：。曲率法采用點與相鄰點之間的矢量夾角判斷。弦高法采用點到相鄰點連線的距離判斷。距離值法采用點到利用相鄰點擬臺的直線段或平面之間的距離進行判斷。2 .點云數(shù)據(jù)的平滑：平滑算法主要有平均值法、投影法、高斯算法等。3 .點云數(shù)據(jù)的漏洞修復：當空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi)，比如窗戶或者墻面上的洞，可采用線性插值