第4讲LiDAR工程数据采集

第四讲第四讲机载机载LiDARLiDAR工程数据采集工程数据采集内容回顾内容回顾内容回顾内容回顾LiDARLiDAR数据格式数据格式LiDARLiDAR技术与技术与同类遥感技术对比同类遥感技术对比2LiDAR数据格式LiDAR数据格式LDEFS格式LDEFS格式栅格格式自定义文本格式自定义文本格式3摄影测量与之间的主要差异摄影测量与LiDAR之间的主要差异传感器飞行平台飞行平台飞行计划成像自动化程度自动化程度技术成熟性及系统有效性工作效率工作效率4LiDARLiDAR与与INSARINSAR比较比较LiDARLiDAR与与INSARINSAR比较比较LiDARLiDAR技术技术与与INSARINSAR技术都是由星际探索中孕育发技术都是由星际探索中孕育发展而来的新技术，它们都是主要用于获得高精度的展而来的新技术，它们都是主要用于获得高精度的数数DEMDEM数据。数据。二者相比较，有各自的优点和缺点。二者相比较，有各自的优点和缺点。5投影投影原理上的原理上的差别差别LiDARLiDAR系统系统可以可以进行倾斜测量进行倾斜测量投影投影原理上的原理上的差别：差别：LiDARLiDAR系统系统可以可以进行倾斜测量进行倾斜测量和垂直的摄影，和垂直的摄影，而而INSARINSAR只能进行侧视成像；只能进行侧视成像；测量方式的差异测量方式的差异系统系统是是通过计算从发射激通过计算从发射激测量方式的差异：测量方式的差异：LiDARLiDAR系统系统是是通过计算从发射激通过计算从发射激光到接收到目标反射的激光的时间间隔来计算距离，光到接收到目标反射的激光的时间间隔来计算距离，确定目标位置确定目标位置而而SASA则是通过解算两束雷达波则是通过解算两束雷达波确定目标位置，确定目标位置，而而INSARINSAR则是通过解算两束雷达波则是通过解算两束雷达波的相位差来得到目标位置；的相位差来得到目标位置；6相比相比INSARINSAR而言而言，，LiDARLiDAR系统系统的的测量效果会受到天测量效果会受到天气状况和目标反射率的影响，例如，雨、雾以及地气状况和目标反射率的影响，例如，雨、雾以及地面的霜、冰等都会对机载激光雷达的测量效果产生面的霜、冰等都会对机载激光雷达的测量效果产生影响，影响，而而INSARINSAR则不存在这种问题，它对大气的状则不存在这种问题，它对大气的状敏感敏感况不敏感；况不敏感；INSARINSAR与与LiDARLiDAR系统系统的的测量效率也有区别。测量效率也有区别。7LiDARLiDAR与与INSARINSAR比较（一）比较（一）LiDAR技术INSAR技术LiDARLiDAR与与INSARINSAR比较（）比较（）LiDAR技术INSAR技术电磁信号红外激光脉冲两束垂直的雷达波束测量方式计算激光束飞行时间解算雷达波相位差测量方式计算激光束飞行时间解算雷达波相位差波长µmcm投影方式垂直或倾斜倾斜投影方式垂直或倾斜倾斜受大气状况影响密切基本无关受地形地物影响较少很大探测距离与大气状况密切相关与大气状况密切无关探测距离与大气状况密切相关与大气状况密切无关高程精度dmm像素分辨率dm~mdm~m像素分辨率dm~mdm~mLiDARLiDAR与与INSARINSAR比较（二）比较（二）测区范围小区域或走廊型区域大范围或首次作业区域LiDARLiDAR与与INSARINSAR比较（二）比较（二）测区范围小区域或走廊型区域大范围或首次作业区域对植被覆盖地区的敏感程度适宜在植被覆盖地区采集效果差，不能得到真实地面数据信息测量效率测量效率较低，数据发布速度慢数据采集速度快，数据发布速度快发布速度慢布速度快作业成本高低作业成本高低LiDAR工程项目的步骤项目启动数据获取数据获取数据处理精度评定项目验收10LiDAR工程需要获取的基本数据1定位定向数据（POS数据）LiDAR工程需要获取的基本数据：1.定位定向数据（POS数据）差分GPS数据、IMU数据2.激光扫描测距数据测距数据、扫描角度、回波强度图像3.检校数据：系统参数（仪器安置参数MountingParameters）系统参数（仪器安置参数，MountingParameters）定标数据（CalibrationData）11LiDAR数据获取综述既繁琐又细致的工作牵扯到许许多多的因既繁琐又细致的工作，牵扯到许许多多的因素，需要很多单位和人员的支持和配合包含了从飞行准备到航线设计，从飞行操作到数据整理从设备运输到存储维护等方方面面数据整理，从设备运输到存储维护等方方面面与航测外业相关的作业环节12LiDAR数据获取综述三个阶段八个方面：13计划准备阶段——飞行准备掌握测区概况首先应该熟悉实地测区的地形特点和地貌特首先应该熟悉实地测区的地形特点和地貌特征。根据不同的地形条件选择和设计不同的飞行航线。14计划准备阶段——飞行准备选择LiDAR型号国内主要有ALS、ALTM、LiteMapper、国内主要有、、pp、TOPOSYS等产品，每个产品由于性能和参数不同，因此选择不同的设备对于航摄设计来说也是不同的。15计划准备阶段——飞行准备选择飞行平台不同的飞机性能会对雷达系统的参数设置有不同的飞机性能会对雷达系统的参数设置有不同程度的影响。主要有两个方面，一是飞行速度，二是飞行高度。飞行速度主要影响雷达的扫描频率的设置，飞行高度主要影响脉冲频率的设置，进而影响点密度和精度。16计划准备阶段——飞行准备常用飞机型号和基本性能飞机类型运5运12奖状安30最高升限4000800013105米7000最高升限4000800013105米7000最大巡航速度250320746公里/小时540正常巡航速度公里小时正常巡航速度180250713公里/小时430最大航程137614403167公里2630续航时间664小时6最大爬升率31215.1米/秒7.7作业高度区间500-40001000-60001500-12000米1500-60006000600017常用航摄飞机计划准备阶段——飞行准备申请航飞权、协调航空飞行飞行任务审批机场协调机场协调飞行协调19计划准备阶段——飞行准备制定项目任务书在承接航飞任务时，用户单位一般会提交“项目任务书”一般由甲方提出要求双方项目任务书，般由甲方提出要求，双方技术人员共同拟定飞行高度飞机型号飞机型号航摄分区成果坐标系野外控制点量测野外控制点量测20计划准备阶段——飞行准备评估飞行效率根据测区远近、飞行高度、空域申请情况来编排航飞航线顺序编排航飞航线顺序21计划准备阶段——飞行准备其它准备工作地面基站布设人员配备人员配备天气预报查询配备维护工具配备维护工具22计划准备阶段——航线设计原则和方法本着安全、经济、周密、高效的原则，以项目成果数据精度要求为目标充分地分析测区目成果数据精度要求为目标，充分地分析测区的实际情况，结合激光雷达测量设备自身特点，选择最为合适的航摄参数，为获取高质量的数选择最为合适的航摄参数，为获取高质量的数据提供基础技术保障。23计划准备阶段——航线设计机载激光雷达与传统航摄航飞设计主要区别传统摄影测量机载激光雷达测量飞行计划相对简单，需考虑高差影响飞行计划相对复杂，要求较为苛刻，需考虑高差脉冲方式扫描角点密度等虑高差影响虑高差、脉冲方式、扫描角、点密度等考虑气素需考虑天气影响同时也需考虑背景反射需考虑天气因素需考虑天气影响，同时也需考虑背景反射率；背景反射越弱，测距效果越好相同飞行高度下飞行带飞行带宽较窄带宽受飞行高度和扫描角相同飞行高度下，飞行带宽更宽，覆盖面积更大飞行带宽较窄，带宽受飞行高度和扫描角影响，容易形成漏飞区域24计划准备阶段计划准备阶段——航线设计25计划准备阶段——航线设计步骤建立航带设计工程设置平面坐标系和高程坐标系设置平面坐标系和高程坐标系加载DTM数据导入设计线位导入设计线位航带设计重复以上步骤完成所有航段的航线设计重复以上步骤，完成所有航段的航线设计26计划准备阶段——航线设计单脉冲(SPiA)和多脉冲(MPiA)()()地形起伏不大，一般航高时，建议使用单脉冲；地形起伏较大，使用多脉冲提高点密度（飞行高度要超过地形高差的2倍）；同等点间距的设计要求下，多脉冲的航飞效率大约为单脉冲的3倍！多脉冲的优势随着地形起伏变化的上升而越加明显变化的上升而越加明显。。。27计划准备阶段——航线设计双传感器航线设计机载激光雷达扫描系统不单单配备一个激光扫描仪而且还配备架中幅面的数码重叠度匹配光扫描仪，而且还配备一架中幅面的数码照相机重叠度匹配数码相机航向重叠度设置和摄影基线检查查28计划准备阶段——航线设计最终航线检查与地面模拟飞行为了确保飞行计划的正确性。检查方法主要有三种将飞行计划导出为kml格式，加载到google要有三种：将格式载ggearth当中进行浏览将飞行计划导出到FCMS飞行管理控制软件中进行检查地面模拟飞行29航线设计航线设计相机相机激光激光3031计划准备阶段——航线设计提交航飞设计数据完成航线设计之后，需要提交以下材料：飞行记录表领航数据表领航数据表飞行文件飞行示意图文件飞行示意图文件kml文件32计划准备阶段——航线设计航线设计小结航线设计是一项细致而重要的任务，是决定航飞任务成功与否的关键好的航线设计计划可航飞任务成功与否的关键，好的航线设计计划可以起到事半功倍的效果；33全面了解测区地形构造；了解相关参数意义成图比例尺点密度飞行速度了解相关参数意义，成图比例尺、点密度、飞行速度等；附带数码相机时，通常以LiDAR为主，数码相机为辅；附带数码相机时，通常以LiDAR为主，数码相机为辅；避免同一条航带地形起伏太大，起伏大于航高1/3时，分区设计或有选择采用MPiA技术；分区设计或有选择采用技术；选择好数据采集时间，降低天气对LiDAR测量的影响；飞行设计完成后，需要检查验证设计航线的有效性。34计划准备阶段——检校场布设、测量由于安装工艺造成的IMU与激光扫描仪坐标轴不平行所产生的系统性角度偏差称为视准轴误差；——影响点云精度的主要因素之一。LiDAR视准轴误差检校是指根据特定的地物在不同航线中所表现的特征差异，对LiDAR传感器与惯性平台坐标系之间的三个姿态角偏移（侧滚角roll、俯仰角pitch、航偏角heading)进行检校的工作。35计划准备阶段——检校场布设、测量激光检校场选择及航线设计IeeIIκφIeω36RllRollPitchHeading37计划准备阶段——检校场布设、测量激光检校场布设方案校准控制场——校准LiDAR的相对和绝对高程校准建筑物——校准侧滚和俯仰姿态尽量远离水面（如湖、江）等低反射率的地区38计划准备阶段——检校场布设、测量激光航线设计方案航速：180km/h；LiDAR旁向重叠：30%；航高：1350m和2300m1350m和2300m高航高:通过尖顶房屋正上方过房屋中点,垂直道路及房屋的顶角方向往返飞行各一次（EF、FE)；平行于该方向飞行次(CD)沿平行于该方向飞行一次(CD)；沿道路方向同向飞行一次(AB)。低航高:十字飞行(EF、BA)39计划准备阶段——检校场布设、测量激光航线设计方案（检校方案）40计划准备阶段——检校场布设、测量激光检校场控制点布设方案布设激光检校控制点要求：直线控制点零散控制点零散控制点所有控制点都布设在路面上，且地物材料均匀。控制点数据的坐标系为WGS84控制点数据的坐标系为WGS8441计划准备阶段——检校场布设、测量激光检校场控制点布设方案42计划准备阶段——检校场布设、测量相机检校场选择及航线设计相机在安装过程中也会存在和IMU的视准轴不严格一致的情况，这就需要在飞行前或飞行后进行视准轴检校43计划准备阶段——检校场布设、测量相机检校场布设方案原理：从不同方向航线的数据中获取尽可能多的同名地物点且每个同名地物点所涉及