激光雷達(dá)技術(shù)原理-第一章

二月13,20231第一章緒論第一頁，共65頁。二月13,20232第一章緒論什么是Lidar?

“光探測(cè)和測(cè)距”(LiDAR,LightDetectionAndRanging)光雷達(dá)(非激光)激光雷達(dá)(激光)。激光雷達(dá)技術(shù)可實(shí)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(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。第二頁，共65頁。二月13,20233第一章緒論

激光雷達(dá)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器,具有以下優(yōu)勢(shì)：非接觸式精度高（毫米級(jí)/亞毫米級(jí)）速度快（可達(dá)120萬點(diǎn)/秒）密度大(點(diǎn)間距可達(dá)毫米級(jí))數(shù)據(jù)采集方式靈活，同時(shí)對(duì)環(huán)境光線、溫度都要求較低LiDAR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)第三頁，共65頁。二月13,20234LiDAR測(cè)量原理–測(cè)時(shí)（Lighttransittime）第一章緒論第四頁，共65頁。二月13,20235

根據(jù)測(cè)定時(shí)間方法的不同，LiDAR測(cè)距原理可分為：

1、脈沖法測(cè)距—直接測(cè)時(shí)

2、相位法測(cè)距—間接測(cè)時(shí)第一章緒論測(cè)距原理第五頁，共65頁。二月13,20236脈沖法測(cè)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(cè)定接收光脈沖和發(fā)射脈沖時(shí)間差△t稱脈沖法測(cè)距。測(cè)距精度為1cm，時(shí)間測(cè)量精度是多少？討論：第六頁，共65頁。二月13,20237相位法測(cè)距–間接相位法測(cè)距是采用測(cè)定“調(diào)制光波”往返于被測(cè)距離上的相位差，間接求定距離的方法。第七頁，共65頁。二月13,20238相位法測(cè)距–間接第八頁，共65頁。二月13,20239相位法測(cè)距–間接問題：1、相位測(cè)量?jī)H能測(cè)出不足一周的相位差2、相位差的分辨率限制測(cè)距的精度解決：為了保證精度而又兼顧測(cè)程，采用幾個(gè)調(diào)制光波長(zhǎng)配合測(cè)距。例如：測(cè)量386.57m的距離，用精測(cè)尺測(cè)量時(shí)，得到6.57m，用粗測(cè)尺測(cè)量時(shí)，得到386.5m，組合得到完整的距離值。第九頁，共65頁。二月13,202310LiDAR測(cè)距–小結(jié)優(yōu)勢(shì)：脈沖法：測(cè)程遠(yuǎn)（6KM）相位法：精度高，采樣率高（120萬/秒）劣勢(shì)：脈沖法：精度低相位法：測(cè)程近（100米），無法測(cè)定整周相位數(shù)第十頁，共65頁。二月13,202311LiDAR測(cè)量原理–三角測(cè)量（Triangulation）第一章緒論（1617年，荷蘭人斯涅耳(W．Snell)首創(chuàng)三角測(cè)量法）ρLinearlaserSpotdetectorΔρΔββΔΖXαΒρ1ρ2f0ρ1ρ2SideviewFrontviewOpticalCentreLaserSource第十一頁，共65頁。VanLeeuwenhoeksingel,Delft,TheNetherlands第十二頁，共65頁。國際水利環(huán)境工程學(xué)院IHEAsianNight第十三頁，共65頁。第十四頁，共65頁。二月13,2023151、窗口式掃描—一個(gè)激光器，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸異面且互相垂直的反光鏡，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，沿縱向和橫向依次掃過被測(cè)區(qū)域第一章緒論掃描方式：第十五頁，共65頁。二月13,2023162、全景掃描—一個(gè)激光器，一個(gè)旋轉(zhuǎn)反光鏡，儀器主體由電機(jī)帶動(dòng)水平旋轉(zhuǎn)第一章緒論掃描方式：第十六頁，共65頁。二月13,2023173、移動(dòng)掃描—一個(gè)激光器，一個(gè)旋轉(zhuǎn)反光鏡，儀器主體隨平臺(tái)移動(dòng)第一章緒論掃描方式：第十七頁，共65頁。二月13,2023184、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(gè)激光點(diǎn)，一次掃描發(fā)射480條激光線）第一章緒論掃描方式：第十八頁，共65頁。二月13,202319掃描方式激光腳點(diǎn)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)的掃描方式第十九頁，共65頁。二月13,202320LiDAR分類（搭載平臺(tái)）星載-激光高度計(jì)

機(jī)載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論第二十頁，共65頁。二月13,202321LiDAR分類（搭載平臺(tái)）星載-激光高度計(jì)

機(jī)載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論第二十一頁，共65頁。二月13,202322激光測(cè)高的概念EarthCenterofMassrr

uR儀器中心到地表的距離r

(基于飛行時(shí)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(diǎn)的平面位置和大地高（基于地心）第二十二頁，共65頁。二月13,202323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)第二十三頁，共65頁。二月13,202324美國NASAICESat/GLAS計(jì)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(dá)衛(wèi)星ICESat,星載的傳感器GLAS(GeoscienceLaser

AltimeterSystem)是第一個(gè)用于全球連續(xù)觀測(cè)的激光掃描設(shè)備,該衛(wèi)星將測(cè)量?jī)蓸O冰面地形及其隨時(shí)間的變化,測(cè)繪陸地地形圖,獲取全球數(shù)字高程模型。與機(jī)載LiDAR相比,星載LiDAR具有許多不可替代的優(yōu)勢(shì)。星載LiDAR采用衛(wèi)星平臺(tái),運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣,可以觸及世界的每一個(gè)角落,為境外地區(qū)三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型(DigitalElevationModels,DEM)的獲取提供了新的途徑,無論對(duì)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(gè)天體的能力,美國進(jìn)行的月球和火星等探測(cè)計(jì)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(cè)量、海面高度測(cè)量、云層和氣溶膠垂直分布測(cè)量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測(cè)等方面也可以發(fā)揮重要作用。第二十四頁，共65頁。二月13,20232525中國“嫦娥一號(hào)”、“嫦娥二號(hào)”美國“克萊門汀”日本“月亮女神”印度“月球初航”

探月衛(wèi)星第二十五頁，共65頁。二月13,202326二月13,202326我國首顆月球探測(cè)衛(wèi)星“嫦娥一號(hào)”搭載了包括CCD立體相機(jī)和激光高度計(jì)在內(nèi)的8臺(tái)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(hào)探月衛(wèi)星2009年3月1日完成任務(wù)成功落月共計(jì)發(fā)回包括激光測(cè)高和CCD影像數(shù)據(jù)在內(nèi)的原始數(shù)據(jù)1.39TB。第二十六頁，共65頁。二月13,202327二月13,202327三線陣數(shù)字傳感器正在成為當(dāng)代攝影測(cè)量與遙感獲取空間數(shù)據(jù)的重要手段之一。激光高度計(jì)可實(shí)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(jī)+激光高度計(jì)聯(lián)合繪制月表三維影像可作為一種新的行星表面測(cè)繪模式！

探測(cè)數(shù)據(jù)處理方法嫦娥一號(hào)探月衛(wèi)星第二十七頁，共65頁。二月13,202328國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)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第二十八頁，共65頁。二月13,202329國家國際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)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(cè)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(tái)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(fèi)：500萬2第二十九頁，共65頁。二月13,202330二月13,2023302010年10月1日18時(shí)59分57秒，搭載著嫦娥二號(hào)衛(wèi)星的長(zhǎng)征三號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射。

嫦娥二號(hào)探月衛(wèi)星

CCD立體相機(jī)分辨率：120米:7米激光高度計(jì)測(cè)距頻率：1Hz:5Hz嫦娥一號(hào)與二號(hào)載荷參數(shù)比較：第三十頁，共65頁。二月13,202331LiDAR分類（搭載平臺(tái)）星載-激光高度計(jì)

機(jī)載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論第三十一頁，共65頁。二月13,202332

機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)是激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、高動(dòng)態(tài)載體姿態(tài)測(cè)定技術(shù)和高精度動(dòng)態(tài)GPS差分定位技術(shù)迅速發(fā)展的集中體現(xiàn)。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是一種集激光測(cè)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(cè)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(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR）介紹第三十二頁，共65頁。二月13,202333激光掃描儀

采用直升機(jī)或者固定翼飛機(jī)作為飛行平臺(tái)，用來裝載測(cè)量裝置，通過激光掃描儀與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS定位系統(tǒng)對(duì)地面進(jìn)行高精度、實(shí)時(shí)量測(cè)。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(jì)這兩類慣性傳感器的測(cè)量信息直接計(jì)算出飛機(jī)的姿態(tài)、速度、位置等導(dǎo)航參數(shù)。動(dòng)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(shí)時(shí)計(jì)算導(dǎo)航所需數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)。成像裝置機(jī)載激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)采用的成像裝置通常為CCD或攝像機(jī)。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)組成第三十三頁，共65頁。二月13,202334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(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)(X,Y,Z)。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)工作示意圖第三十四頁，共65頁。二月13,202335

機(jī)載激光掃描系統(tǒng)中的測(cè)距單元包括激光發(fā)射器和接收器，激光掃描是主動(dòng)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(jìn)行記錄。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)工作原理第三十五頁，共65頁。二月13,20233636LiDAR工作原理第三十六頁，共65頁。二月13,20233737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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第三十七頁，共65頁。二月13,20233838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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第三十八頁，共65頁。二月13,20233939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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第三十九頁，共65頁。二月13,20234040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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第四十頁，共65頁。二月13,20234141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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第四十一頁，共65頁。二月13,20234242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(jī)回波信號(hào)處理ReceiverLaser第四十二頁，共65頁。二月13,202343是一種直接主動(dòng)式測(cè)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(diǎn)，大大提高作業(yè)速度。作業(yè)安全，它能進(jìn)行危險(xiǎn)地區(qū)（如沼澤地帶、大型垃圾堆等）的測(cè)圖工作。作業(yè)周期快，易于更新，時(shí)效性強(qiáng)。激光脈沖信號(hào)能部分穿過植被，是目前唯一能測(cè)定森林覆蓋地區(qū)地面高程的可行技術(shù)。可以進(jìn)行電力線檢查。不受地域地形限制，可同時(shí)測(cè)量地面和非地面層。LiDAR的特點(diǎn)第四十三頁，共65頁。二月13,202344LiDAR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(diǎn)。用于普通地形測(cè)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(jià)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(diǎn)第四十四頁，共65頁。二月13,202345從激光數(shù)據(jù)采集到直接得到DEMDEM生產(chǎn)流程第四十五頁，共65頁。二月13,202346三維顯示，平均點(diǎn)間隔約0.4米原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)第四十六頁，共65頁。二月13,202347第四十七頁，共65頁。二月13,202348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(cè)圖災(zāi)害調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測(cè)古建筑文物保護(hù)數(shù)字電網(wǎng)數(shù)字水利數(shù)字勘測(cè)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域第四十八頁，共65頁。二月13,202349海岸線監(jiān)測(cè)第四十九頁，共65頁。二月13,20235050走廊測(cè)圖（電力線、高速公路）第五十頁，共65頁。二月13,20235151DTM生成第五十一頁，共65頁。二月13,20235252三維城市建模第五十二頁，共65頁。二月13,20235353高分辨率LIDAR+影像生成的三維地形模型和景觀模型第五十三頁，共65頁。二月13,20235454copyrightAsiaAirsurveyK.K./Japan洪水模擬第五十四頁，共65頁。二月13,20235555土方量測(cè)第五十五頁，共65頁。二月13,202356LiDAR分類（搭載平臺(tái)）星載-激光高度計(jì)

機(jī)載-LiDAR車載-LiDAR固定式-激光掃描儀第一章緒論第五十六頁，共65頁。二月13,202357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(cè)繪儀器,采用非接觸式高速激光測(cè)量方式,在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度，自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。儀器主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時(shí)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(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。第五十七頁，共65頁。二月13,202358地面LiDAR系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：1.速度快,節(jié)約大量的時(shí)間,測(cè)量完整，精確獲取靜態(tài)物體精細(xì)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(cè)量；3.特別適合測(cè)量表面復(fù)雜的物體及其細(xì)節(jié)的測(cè)量；4.快速和準(zhǔn)確地確定表面、體積、斷面、截面、等值線等；第五十八頁，共65頁。二月13,202359中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程教研室目前擁有RIEGL

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