激光雷達技術(shù)原理-第一章

二月03,20231激光雷達技術(shù)原理

主講人：康志忠博士副教授測繪工程教研室土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院二月03,20232第一章緒論二月03,20233第一章緒論什么是Lidar?

“光探測和測距”(LiDAR,LightDetectionAndRanging)光雷達(非激光)激光雷達(激光)。激光雷達技術(shù)可實現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確地獲取,再現(xiàn)客觀事物的實時的、真實的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡單有效手段。二月03,20234第一章緒論

激光雷達是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測繪儀器,具有以下優(yōu)勢：非接觸式精度高（毫米級/亞毫米級）速度快（可達120萬點/秒）密度大(點間距可達毫米級)數(shù)據(jù)采集方式靈活，同時對環(huán)境光線、溫度都要求較低LiDAR技術(shù)的優(yōu)勢二月03,20235LiDAR測量原理–測時（Lighttransittime）第一章緒論二月03,20236

根據(jù)測定時間方法的不同，LiDAR測距原理可分為：

1、脈沖法測距—直接測時

2、相位法測距—間接測時第一章緒論測距原理二月03,20237脈沖法測距–直接

LiDAR發(fā)出光脈沖（或電脈沖），經(jīng)物體表面反射回到LiDAR。測定接收光脈沖和發(fā)射脈沖時間差△t稱脈沖法測距。測距精度為1cm，時間測量精度是多少？討論：二月03,20238相位法測距–間接相位法測距是采用測定“調(diào)制光波”往返于被測距離上的相位差，間接求定距離的方法。二月03,20239相位法測距–間接二月03,202310相位法測距–間接問題：1、相位測量僅能測出不足一周的相位差2、相位差的分辨率限制測距的精度解決：為了保證精度而又兼顧測程，采用幾個調(diào)制光波長配合測距。例如：測量386.57m的距離，用精測尺測量時，得到6.57m，用粗測尺測量時，得到386.5m，組合得到完整的距離值。二月03,202311LiDAR測距–小結(jié)優(yōu)勢：脈沖法：測程遠（6KM）相位法：精度高，采樣率高（120萬/秒）劣勢：脈沖法：精度低相位法：測程近（100米），無法測定整周相位數(shù)二月03,202312LiDAR測量原理–三角測量（Triangulation）第一章緒論（1617年，荷蘭人斯涅耳(W．Snell)首創(chuàng)三角測量法）ρLinearlaserSpotdetectorΔρΔββΔΖXαΒρ1ρ2f0ρ1ρ2SideviewFrontviewOpticalCentreLaserSourceVanLeeuwenhoeksingel,Delft,TheNetherlands國際水利環(huán)境工程學(xué)院IHEAsianNight二月03,2023161、窗口式掃描—一個激光器，兩個旋轉(zhuǎn)軸異面且互相垂直的反光鏡，由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)，沿縱向和橫向依次掃過被測區(qū)域第一章緒論掃描方式：二月03,2023172、全景掃描—一個激光器，一個旋轉(zhuǎn)反光鏡，儀器主體由電機帶動水平旋轉(zhuǎn)第一章緒論掃描方式：二月03,2023183、移動掃描—一個激光器，一個旋轉(zhuǎn)反光鏡，儀器主體隨平臺移動第一章緒論掃描方式：二月03,2023194、結(jié)構(gòu)光掃描—投影光柵，一次掃描（每一條激光線上分布了640個激光點，一次掃描發(fā)射480條激光線）第一章緒論掃描方式：二月03,202320掃描方式激光腳點軌跡擺鏡掃描方式旋轉(zhuǎn)棱鏡掃描方式光學(xué)纖維電掃描方式圓錐鏡掃描方式四種典型的LiDAR系統(tǒng)的掃描方式二月03,202321LiDAR分類（搭載平臺）星載-激光高度計

機載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論二月03,202322LiDAR分類（搭載平臺）星載-激光高度計

機載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論二月03,202323激光測高的概念EarthCenterofMassrr

uR儀器中心到地表的距離r

(基于飛行時間）儀器中心的位置

r

（基于精確定軌precisionorbitdetermination，POD）

激光束姿態(tài)信息

u

（基于精確定姿precisionattitudedetermination(PAD)）確定激光點的平面位置和大地高（基于地心）二月03,202324星載系統(tǒng)GeoscienceLaserAltimeterSystem(ICESat)

(2003年1月12)MarsOrbiterLITEaerosolBackscatterLidarVegetationCanopyLidar(instasis)SPARCLEEO-2(Cancelled)MarsPolarLanderLidar(spacecraftlost)Calipso(2006年4月28日)二月03,202325美國NASAICESat/GLAS計劃

美國NASA于2003年1月12日發(fā)射了全球第一顆星載激光雷達衛(wèi)星ICESat,星載的傳感器GLAS(GeoscienceLaser

AltimeterSystem)是第一個用于全球連續(xù)觀測的激光掃描設(shè)備,該衛(wèi)星將測量兩極冰面地形及其隨時間的變化,測繪陸地地形圖,獲取全球數(shù)字高程模型。與機載LiDAR相比,星載LiDAR具有許多不可替代的優(yōu)勢。星載LiDAR采用衛(wèi)星平臺,運行軌道高、觀測視野廣,可以觸及世界的每一個角落,為境外地區(qū)三維控制點和數(shù)字地面模型(DigitalElevationModels,DEM)的獲取提供了新的途徑,無論對于國防或是科學(xué)研究都具有十分重大的意義。星載LiDAR還具有觀察整個天體的能力,美國進行的月球和火星等探測計劃中都包含了星載LiDAR傳感器,所提供的數(shù)據(jù)資料可以用于制作天體的綜合三維地形圖。此外,星載LiDAR在植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。二月03,20232626中國“嫦娥一號”、“嫦娥二號”美國“克萊門汀”日本“月亮女神”印度“月球初航”

探月衛(wèi)星二月03,202327二月03,202327我國首顆月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”搭載了包括CCD立體相機和激光高度計在內(nèi)的8臺有效載荷，于2007年10月24日在西昌衛(wèi)星中心發(fā)射。嫦娥一號探月衛(wèi)星2009年3月1日完成任務(wù)成功落月共計發(fā)回包括激光測高和CCD影像數(shù)據(jù)在內(nèi)的原始數(shù)據(jù)1.39TB。二月03,202328二月03,202328三線陣數(shù)字傳感器正在成為當(dāng)代攝影測量與遙感獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段之一。激光高度計可實現(xiàn)獲取衛(wèi)星下方月表地形高度數(shù)據(jù)的任務(wù)。+CCD立體相機+激光高度計聯(lián)合繪制月表三維影像可作為一種新的行星表面測繪模式！

探測數(shù)據(jù)處理方法嫦娥一號探月衛(wèi)星二月03,202329國家國際科技合作專項項目“中意大學(xué)生數(shù)字月球圖聯(lián)合編制”:背景:2011年6月1日-4日習(xí)近平副主席訪問意大利期間簽署《中國科技部與意大利教育大學(xué)科研部關(guān)于重大科研合作的備忘錄》2二月03,202330國家國際科技合作專項項目“中意大學(xué)生數(shù)字月球圖聯(lián)合編制”:參與單位:中方：教育部深空探測聯(lián)合研究中心意方：意大利航天局中國科學(xué)院國家天文臺意大利國家天文研究所北京大學(xué)米蘭理工大學(xué)清華大學(xué)都靈理工大學(xué)

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）羅馬大學(xué)南京大學(xué)基耶帝佩斯卡拉大學(xué)華東師范大學(xué)中方預(yù)算經(jīng)費：500萬2二月03,202331二月03,2023312010年10月1日18時59分57秒，搭載著嫦娥二號衛(wèi)星的長征三號丙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射。

嫦娥二號探月衛(wèi)星

CCD立體相機分辨率：120米:7米激光高度計測距頻率：1Hz:5Hz嫦娥一號與二號載荷參數(shù)比較：二月03,202332LiDAR分類（搭載平臺）星載-激光高度計

機載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論二月03,202333

機載激光雷達測量技術(shù)是激光技術(shù)、計算機技術(shù)、高動態(tài)載體姿態(tài)測定技術(shù)和高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)。機載激光雷達系統(tǒng)是一種集激光測距、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一體的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確三維地形（DEM）。LiDAR系統(tǒng)主要包括激光測距儀和接收系統(tǒng)，激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并發(fā)射回來，最終被接收器接收。機載激光雷達（LiDAR）介紹二月03,202334激光掃描儀

采用直升機或者固定翼飛機作為飛行平臺，用來裝載測量裝置，通過激光掃描儀與實時動態(tài)GPS定位系統(tǒng)對地面進行高精度、實時量測。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完全自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，它利用陀螺和加速度計這兩類慣性傳感器的測量信息直接計算出飛機的姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。動態(tài)差分GPS定位系統(tǒng)用于確定掃描裝置投影中心的空間位置，實時計算導(dǎo)航所需數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)。成像裝置機載激光雷達掃描系統(tǒng)采用的成像裝置通常為CCD或攝像機。機載激光掃描系統(tǒng)組成二月03,202335從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準(zhǔn)確地計算出每一個地面光斑的坐標(biāo)(X,Y,Z)。機載激光掃描系統(tǒng)工作示意圖二月03,202336

機載激光掃描系統(tǒng)中的測距單元包括激光發(fā)射器和接收器，激光掃描是主動工作方式，由激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，而由掃描裝置控制激光束發(fā)射出去的方向。在接收器接收被返回來的激光束后由記錄單元進行記錄。機載激光掃描系統(tǒng)工作原理二月03,20233737LiDAR工作原理二月03,20233838發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,20233939發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,20234040發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,20234141發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,20234242發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,20234343發(fā)射激光脈沖入射脈沖傳播到目標(biāo)物入射脈沖與目標(biāo)物作用反射脈沖返回到接收機回波信號處理ReceiverLaser二月03,202344是一種直接主動式測量方法，受天氣條件的影響少。地面控制工作大大減少，基本不需要地面控制點，大大提高作業(yè)速度。作業(yè)安全，它能進行危險地區(qū)（如沼澤地帶、大型垃圾堆等）的測圖工作。作業(yè)周期快，易于更新，時效性強。激光脈沖信號能部分穿過植被，是目前唯一能測定森林覆蓋地區(qū)地面高程的可行技術(shù)?？梢赃M行電力線檢查。不受地域地形限制，可同時測量地面和非地面層。LiDAR的特點二月03,202345LiDAR系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)具有分布不規(guī)律，坐標(biāo)不連續(xù)的特點。用于普通地形測量的LiDAR系統(tǒng)所發(fā)射的激光脈沖很容易被水吸收而很難產(chǎn)生發(fā)射光。因此，該系統(tǒng)難以確定水系的邊界。到目前為止，還沒有一套通用的作業(yè)規(guī)范和流程。目前LiDAR系統(tǒng)的價格昂貴，也一定程度上限制了該系統(tǒng)的普及應(yīng)用。LiDAR的缺點二月03,202346從激光數(shù)據(jù)采集到直接得到DEMDEM生產(chǎn)流程二月03,202347三維顯示，平均點間隔約0.4米原始激光點云數(shù)據(jù)二月03,202348二月03,202349數(shù)字地面模型（DTM）的獲取3D城市建模林業(yè)的應(yīng)用帶狀目標(biāo)測圖災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測古建筑文物保護數(shù)字電網(wǎng)數(shù)字水利數(shù)字勘測機載激光雷達技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域二月03,202350海岸線監(jiān)測二月03,20235151走廊測圖（電力線、高速公路）二月03,20235252DTM生成二月03,20235353三維城市建模二月03,20235454高分辨率LIDAR+影像生成的三維地形模型和景觀模型二月03,20235555copyrightAsiaAirsurveyK.K./Japan洪水模擬二月03,20235656土方量測二月03,202357LiDAR分類（搭載平臺）星載-激光高度計

機載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論二月03,202358地面三維激光掃描儀地面三維激光影像掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測繪儀器,采用非接觸式高速激光測量方式,在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強度，自動存儲并計算，獲得點云數(shù)據(jù)。儀器主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表。有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)”是繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。二月03,202359地面LiDAR系統(tǒng)的優(yōu)勢：1.速度快,節(jié)約大量的時間,測量完整，精確獲取靜態(tài)物體精細三維坐標(biāo)；2.不需要接觸物體,昏暗和夜間都不影響外業(yè)測量；3.特別適合測量表面復(fù)雜的物體及其細節(jié)的測量；4.快速和準(zhǔn)確地確定表面、體積、斷面、截面、等值線等；二月03,202360中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院測繪工程教研室目前擁有