激光雷達(dá)遙感4-

主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較LiDAR數(shù)據(jù)組成機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包含激

光測距儀、角度編碼器、GPS、IMU等子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)都采集有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，包括：GPS數(shù)

據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、同步時(shí)間數(shù)據(jù)、多波段傳感器的數(shù)

據(jù)等等。有些是過程數(shù)據(jù)，例如：IMU數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)等；

有些是結(jié)果數(shù)據(jù)，如：坐標(biāo)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)等。檢校數(shù)據(jù)（系統(tǒng)參數(shù)、安置參數(shù)等）主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較LiDAR數(shù)據(jù)格式

LDEFS格式

柵格格式

自定義文本格式LDEFS格式美國攝影測量與遙感協(xié)會(huì)（ASPRS，American

Society

of

Photogrammetry

and

Remote

Sensing

）提出Lidar

Data

Exchange

Format

Standard

（LDEFS）

1.0標(biāo)準(zhǔn)，后綴為las

2003.05.09

LAS1.02005.05.07

LAS1.1

2007.05.01

LAS2.0

（擬定版）

2008.09.02

LAS1.22010.10.24

LAS1.32011.11.14

LAS1.4/divisions-committees/lidar-division/laser-las-file-format-exchange-activitiesVARIABLE

LENGTHRECORDSPUBLIC

HEADER

BLOCKPOINT

DATAASPRS

LiDARLas1.0格式

公共數(shù)據(jù)塊(Public

Header

Block)

變長數(shù)據(jù)記錄(Variable

length

Records)

點(diǎn)數(shù)據(jù)塊(Point

data)公共數(shù)據(jù)塊(Public

Header

Block)公共數(shù)據(jù)塊的大小是227

bytes，記錄了關(guān)

于該文件的一些基本信息，如：文件標(biāo)識(shí)、飛

行時(shí)間、回波個(gè)數(shù)、坐標(biāo)范圍等等，詳細(xì)描述

了關(guān)于las數(shù)據(jù)采集的信息

。ItemFormatSizeRequiredFile

SignatureChar[4]4

bytes*ReservedUnsigned

long4

bytesGUID

data

1Unsigned

long4

bytesGUID

data

2Unsigned

short2

bytesGUID

data

3Unsigned

short2

bytesGUID

data

4Unsigned

char[8]8

bytes公共數(shù)據(jù)塊(Public

Header

Block)Version

MajorUnsigned

char1

bytes*Version

MinorUnsigned

char1

bytes*System

IdentifierChar[32]32

bytes*GeneratingSoftwareChar[32]32

bytes*Flight

Data

JulianUnsigned

short2

bytesYearUnsigned

short2

bytesHeader

SizeUnsigned

short2

bytes*Offset

to

dataUnsigned

long4

bytes*Number

of

variablelength

recordsUnsigned

long4

bytes*公共數(shù)據(jù)塊(Public

Header

Block)Point

Data

Format

IDUnsigned

char1

bytes*Point

Data

Record

LengthUnsigned

short2

bytes*Number

of

point

recordsUnsigned

long4

bytes*Number

of

points

byreturnUnsigned

long[5]20

bytes*X

scale

factordouble8

bytes*Y

scale

factorDouble8

bytes*Z

scale

factorDouble8

bytes*X

offsetDouble8

bytes*Y

offsetDouble8

bytes*Z

offsetDouble8

bytes*X

coordinate

(

X

record

*

X

scale

)

X

offsetYcoordinate

(Yrecord

*

Yscale

)

YoffsetZ

coordinate

(

Z

record

*

Z

scale

)

Z

offsetX

Y

Z

坐標(biāo)值的計(jì)算公共數(shù)據(jù)塊(Public

Header

Block)Max

XDouble8

bytes*Min

XDouble8

bytes*Max

YDouble8

bytes*Min

YDouble8

bytes*Max

ZDouble8

bytes*Min

ZDouble8

bytes*可變數(shù)據(jù)區(qū)(Variablelength

records)記錄了數(shù)據(jù)描述以及所用坐標(biāo)投影的一些信息ItemFormatSizeRequiredRecordSignature(0xAABB)Unsignedshort２

bytes*User

IDChar[16]16

bytes*Record

IDUnsignedshort2

bytes*Record

LengthAfter

HeaderUnsignedshort2

bytes*DescriptionChar[32]32

bytes激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)（POINT

DATA

）詳細(xì)記錄了該次回波的相關(guān)信息，如：坐標(biāo)值，

本次回波強(qiáng)度，回波序號(hào)，該次脈沖的掃描方向，

分類編號(hào)等等

，共有兩種記錄格式，具體采用的

數(shù)據(jù)記錄格式由頭文件中的Point

Data

Format

ID確定Point

Data

Format

ID

的值為0

時(shí)ItemFormatSizeRequiredXlong4

bytes*Ylong4

bytes*Zlong4

bytes*Intensityunsigned

short2

bytesReturn

Number3bits3

bits*Number

of

Returns3bits3

bits*Scan

Direction

Flag1bit1

bit*Edge

of

Flight

Line1bit1

bit*Classificationunsigned

char1

byteScan

Angle

Rankchar1

byte*File

Markerunsigned

char1

byteUser

Bit

Fieldunsigned

short2

bytesPoint

Data

Format

ID

的值為1

時(shí)ItemFormatSizeRequiredXlong4

bytes*Ylong4

bytes*…………File

Markerunsigned

char1

byteUser

Bit

Fieldunsigned

short2

bytesGPS

Timedouble8

bytes*柵格格式的LiDAR數(shù)據(jù)一些公司采用了柵格文件格式作為Lidar的數(shù)

據(jù)格式。例如，采用ArcInfo

Grid

格式的數(shù)據(jù)作

為通用格式

。*.ASC格式頭部信息：

ncols

行數(shù)nrows

列數(shù)

xllcenter

中心點(diǎn)x坐標(biāo)

yllcenter

中心點(diǎn)y坐標(biāo)

cellsize

采樣間距

NODATA_value

-9999.000000（無效數(shù)據(jù)）

數(shù)據(jù)信息：記錄具體的信息數(shù)據(jù)。自定義文本格式

LiDAR數(shù)據(jù)這種格式直接以文本的方式記錄LiDAR數(shù)據(jù)，

每一行記錄一束激光的回波數(shù)據(jù)，以不同的列記

錄不同屬性的數(shù)據(jù)，一般會(huì)在數(shù)據(jù)中加以說明。

*.TXT格式例如，ISPRS提供一種文本格式的數(shù)據(jù)，其格

式是這樣的：首次回波的x，y，z，首次回波的回

波強(qiáng)度d

，末次回波的x，y，z，末次回波的回波

強(qiáng)度d。共計(jì)8列。主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)LiDAR激光腳點(diǎn)的分布是按照時(shí)間序列進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)

的，其在地面上的分布不是規(guī)則的，其空間分布呈現(xiàn)為離

散的數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”（Points

Cloud

）激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

真正射影像生產(chǎn)

輔助LiDAR數(shù)據(jù)處理數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理商用LiDAR系統(tǒng)都配裝了數(shù)碼相機(jī)，這些數(shù)碼相機(jī)大多

為約2000萬—4000萬像素，像素大小為0.7

左右主要目的是為LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供輔助的光譜影像信息，

幫助獲得紋理和分類的信息存在著光譜影像與激光點(diǎn)云的配準(zhǔn)問題LiDAR系統(tǒng)中的數(shù)碼相片經(jīng)過解算后，得到與點(diǎn)云數(shù)據(jù)

一致的坐標(biāo)。一般將影像結(jié)合點(diǎn)云（DSM）數(shù)據(jù)，制作真

正射影像（True

Ortho

Image）此外，在LiDAR數(shù)據(jù)處理中，數(shù)碼相片信息可以作為輔

助數(shù)據(jù)，提供紋理信息，幫助進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如：DEM精

化和分類等。機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

機(jī)載LiDAR——能直接獲取地物的三維信息，高程精度較高

光學(xué)影像——平面精度高、光譜特征準(zhǔn)確、紋理信息豐富

機(jī)載LiDAR+光學(xué)影像——提高解譯的可靠性和量測精度機(jī)載LiDAR設(shè)備都配置有光學(xué)相機(jī),但由于掃描平臺(tái)存在的各

種誤差,使得獲取的影像方位元素與真實(shí)姿態(tài)有偏差，造成點(diǎn)

云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)配準(zhǔn)誤差。因此需要修正影像的外方位元素,使得兩種數(shù)據(jù)源精確配準(zhǔn)機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于影像灰度值的配準(zhǔn)。將激光點(diǎn)云內(nèi)插成灰度圖像(強(qiáng)度圖像或距離圖像)，然后在

灰度圖像和數(shù)碼影像之間進(jìn)行配準(zhǔn)。兩種傳感器得到圖像的灰度值有較大差異，且不成線性關(guān)系。機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于點(diǎn)特征的方法。首先利用攝影測量的方法使用數(shù)碼影像生成點(diǎn)云，再利用迭

代最鄰近點(diǎn)配準(zhǔn)算法((Iterative

Closest

Point

Algorithm，

ICP)實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于線特征的方法首先利用攝影測量空中三角測量相對(duì)定向，將影像上的同名

直線轉(zhuǎn)換到3D攝影測量輔助坐標(biāo)系中，再利用轉(zhuǎn)換方程使得該

直線與LiDAR點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)的空間直線重合，實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)。機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于面特征的方法同基于線特征的方法一樣，假設(shè)沒有系統(tǒng)誤差影響的前提下，

經(jīng)過相對(duì)定向，獲取影像上的同名面特征，轉(zhuǎn)換到3D攝影測量

輔助坐標(biāo)系中，再利用轉(zhuǎn)換方程使得該面片與點(diǎn)云中的面片重

合。

基于其它特征的方法機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于結(jié)構(gòu)線的LiDAR數(shù)據(jù)及航空影像自動(dòng)配準(zhǔn)方法“十二五”國家科技支撐計(jì)劃–

研究LiDAR數(shù)據(jù)及航空影像中地物明顯特征的自動(dòng)提取

–

實(shí)現(xiàn)基于LiDAR特征集與航空影像特征集的自動(dòng)配準(zhǔn)2

2機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

基于結(jié)構(gòu)線的LiDAR數(shù)據(jù)及航空影像自動(dòng)配準(zhǔn)方法

測試數(shù)據(jù)為天津某城區(qū)的機(jī)載LiDAR點(diǎn)云與航空影像。點(diǎn)云密度約7點(diǎn)/m

，覆蓋范圍約102500m

。配套的航空影

像地面分辨率為0.1m，像元大小為6.8um，圖幅大小為

7212*5408像素。機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

總體技術(shù)框架影像增強(qiáng)基于Canny的邊

緣檢測基于卡爾曼濾波

的邊緣追蹤最小二乘直線

擬合結(jié)構(gòu)線構(gòu)造及

生成機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

機(jī)載LiDAR點(diǎn)云及航空影像的地物結(jié)構(gòu)線提取LiDAR數(shù)據(jù)原始影像實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直線特征結(jié)構(gòu)特征計(jì)算匹配矩陣最優(yōu)匹配特征

組合變換模型參數(shù)匹配特征點(diǎn)集最小二乘迭代變換模型參數(shù)影像結(jié)構(gòu)線相似性度量LiDAR結(jié)構(gòu)線機(jī)載LiDAR與影像配準(zhǔn)

LiDAR數(shù)據(jù)特征集與航空影像特征集的自動(dòng)匹配

根據(jù)LiDAR結(jié)構(gòu)特征，對(duì)應(yīng)一系列三維地面坐標(biāo)，將其投影至采樣影像上，得到投影頂點(diǎn)特征；利用頂點(diǎn)特征，獲得距該投影頂點(diǎn)一定閾值內(nèi)所有頂點(diǎn)特征，作為影像特征點(diǎn)候選同名特征；采用直線段長度比、方向偏差作

為約束條件，得到一組最優(yōu)匹配特

征。LiDAR特征點(diǎn)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)與影像配準(zhǔn)軟件模塊開

發(fā)

環(huán)

境

Microsoft

Visual

C++

6.0

，

運(yùn)

行

系

統(tǒng)

環(huán)

境

為

Windows

操作系統(tǒng)。配準(zhǔn)模塊主界面以及單對(duì)數(shù)據(jù)匹配界面如下圖所示。配準(zhǔn)模塊主界面單對(duì)數(shù)據(jù)匹配界面真正射影像生產(chǎn)真正射影像和正射影像的差別，體現(xiàn)在建筑物的糾正

上，由于DEM沒有建筑物的高度信息，在糾正時(shí)只能按照

地面的高度進(jìn)行糾正，造成了一定的偏差，采用具有建筑

物信息的DSM就不存在這個(gè)問題，能夠得到正確的投影位

置。C1A11BCBA投影面地面（a）真正射影像原理未做糾正真正射影像原理（b）正射影像

使用DEM做糾正CB地面投影面AA1

B1C1真正射影像原理（c）真正射影像

使用DSM做糾正CB地面投影面AA1

B1C1構(gòu)建TIN-DSM檢測各三角面片在原始影像中的遮蔽區(qū)域相鄰影像修補(bǔ)紋理仿真修復(fù)對(duì)LiDAR點(diǎn)云濾波，并對(duì)濾波得到的地面點(diǎn)精簡真正射影像生產(chǎn)LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)與

影像數(shù)據(jù)自動(dòng)或半自動(dòng)方式

提取的帶順序建筑物角點(diǎn)準(zhǔn)確的影像內(nèi)、外

方位元素否是否是絕對(duì)遮蔽區(qū)域是真正射影像真正射影像生產(chǎn)構(gòu)建TIN-DSMTIN-DSM左、右傾角視圖真正射影像生產(chǎn)原始影像遮蔽檢測結(jié)果主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

硬件技術(shù)-型號(hào)細(xì)分Leica

ALS80-LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)硬件技術(shù)多頻率多波束LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

硬件技術(shù)-多激光器Riegl

LMS-Q1560LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

硬件技術(shù)-無人機(jī)重量：23kg重量：5.5kgLiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

硬件技術(shù)-組件式多傳感器集成方案總裝后的激光雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)硬件技術(shù)-星機(jī)地一體化主要內(nèi)容：

機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)組成

LiDAR數(shù)據(jù)格式

點(diǎn)云數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理

LiDAR技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較LiDAR技術(shù)與同類技術(shù)比較作為一種新型的遙感技術(shù)，同其它同類技術(shù)相

比，LiDAR技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)，但是也有不足，并不能

取代其它技術(shù)。尤其是目前在基礎(chǔ)測繪方面甚至還不能撼動(dòng)

航空攝影測量技術(shù)的地位。與航空攝影測量技術(shù)比較(一)

相同點(diǎn):（1）二者都是以航空飛行器為遙感平臺(tái)，在平臺(tái)上安裝遙感

設(shè)備，對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系

列處理和分析，得到所需要的信息；（2）二者都能夠得到DSM、DEM、DOM和DLG等基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品，

需要進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和分類，獲取空間信息；（3）二者處理流程相似，都有粗差去除，地物目標(biāo)識(shí)別，分

類，數(shù)據(jù)壓縮，斷裂線探測以及數(shù)據(jù)管理，產(chǎn)品分發(fā)等內(nèi)容；

（4）二者都是目前測繪遙感獲取基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)的重要方法，

都緊跟相關(guān)技術(shù)，通過與POS、通訊、數(shù)據(jù)壓縮、信號(hào)分析、

圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)專業(yè)的緊密結(jié)合而不斷發(fā)展。。與航空攝影測量技術(shù)比較(二)航空攝影測量技術(shù)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)被動(dòng)式測量主動(dòng)式測量透視幾何原理極坐標(biāo)幾何定位原理框幅式，一次覆蓋一定的區(qū)域逐點(diǎn)采樣，提供高密度和

高精度的空間點(diǎn)數(shù)據(jù)間接獲取地面三維坐標(biāo)直接獲取地面三維坐標(biāo)能夠獲取高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)提供質(zhì)量較差的影像。提

供密集點(diǎn)云數(shù)據(jù)與航空攝影測量技術(shù)比較(三)航空攝影測量技術(shù)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)比較成熟，能夠在絕大多數(shù)航空

平臺(tái)上安裝有時(shí)需要對(duì)遙感平臺(tái)進(jìn)行改裝有多種型號(hào)，適合不同安裝空間

及任務(wù)需求型號(hào)較少，需要改裝或定制才能滿足有些

需求可靠性好，比較穩(wěn)定故障率相對(duì)較高飛行計(jì)劃相對(duì)簡單飛行計(jì)劃相對(duì)復(fù)雜受天氣影響較大理論上能全天時(shí)、天候采集數(shù)據(jù)對(duì)操控人員要求不高操控人員需要經(jīng)過較長時(shí)間培訓(xùn)，機(jī)上操

作相對(duì)復(fù)雜飛行中監(jiān)控性差，容易出現(xiàn)漏飛

及偏離航線情況飛行中有監(jiān)視器，可以掌握航線與設(shè)計(jì)參

數(shù)的偏離情況，及時(shí)糾正飛行高度范圍廣，可以從幾十米

到6000米以上飛行高度范圍窄，大約在500米以上，

4000米以下，與航空攝影測量技術(shù)比較(四)航空攝影測量技術(shù)機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)DSM生產(chǎn)需要進(jìn)行