2.机载激光雷达测量系统解析

郑坤[e-mail]激光雷达技术——机载激光雷达测量系统主要内容1.机载激光雷达组成2.机载激光雷达测量对地定位原理3.机载激光雷达测量技术的特点4.机载激光雷达测量技术与其它技术的比较5.几种商用激光雷达测量系统简介6.机载激光雷达测量的工作流程与内业数据处理1、机载激光雷达测量系统组成机载激光雷达的组成机载激光雷达测量技术是激光技术、计算机技术、高动态载体姿态测定技术和高精度动态GPS差分技术迅速发展的集中体现•激光测距技术已经发展到无合作目标的激光测距系统•GPS定位技术的出现彻底解决了海陆空的定位问题•INS和GPS的集成使确定高动态载体姿势成为可能与传统测量方式的比较数据获取方式像大地测量系统数据后处理方式像摄影测量系统1、机载激光雷达测量系统组成•动态差分GPS接收机•INS或多天线陈列GPS系统•激光测距仪•CCD相机机载激光雷达测量系统的组成单元差分GPS惯性测量单元控制、监测、记录单元测距单元扫描仪扫描带宽扫描方向激光脚点激光雷达测距系统•定义包括：激光脉冲测距系统、光电扫描仪及控制处理系统原理：脉冲测时测距和激光相位差测距主要采用：脉冲测时测距、Nd：YAG激光，波长：800-1600nm，脉宽：10-15ns，峰值功率可达兆瓦，当前测距精度可到1-3mmYAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。钇铝石榴石的化学式是Y3Al5O15,简称为YAG。在YAG基质中掺入激活离子Nd3+(约1%)就成为Nd:YAG。实际制备时是将一定比例的Al2O3、Y2O3和NdO3在单晶炉中熔化结晶而成。Nd:YAG属于立方晶系,是各向同性晶体。激光雷达测距系统距离测量电子器件旋转镜激光束θ1、激光发射2、激光探测3、时延估计4、时延延迟激光雷达测距系统距离测量的四个过程：1、激光发射,通过扫描镜的转动并发射到地面,同时信号取样得到激光主波脉冲;2、激光探测，通过同一个扫描镜和望远镜收集反射回来的激光回波信号，并转换为电信号；3、时延估计；4、时间延迟测量；动态GNNS定位•动态差分定位•精密单点定位•GNNS动态定位及影响精度的主要因素动态GNNS定位工程建设系统组成：空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成Non-GEO卫星GEO卫星星座坐标系统：北斗系统采用中国2000大地坐标系（CGS2000）。CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一致性约为5个厘米。工程建设工程建设服务和性能：全球服务开放服务：•定位精度:10m•测速精度:0.2m/s•授时精度:20ns授权服务区域服务广域差分服务•定位精度:1m短报文通信服务INS姿态测量系统•惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。•惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。多天线陈列GPS确定姿态测姿型GPS接收机系统在动态载体上安装有以下优点①能够实现自行初始化和天线自动测绘②具有提高姿态测量精度的有利因素③具有实现实时差分的能力2机载激光雷达测量对地定位原理OSP3机载激光雷达测量技术的特点①一种直接测量系统（主动式）②激光脉冲信号能够部分的穿过植被，快速获得高精度高空间分辨率的森林或山区真实数字地面模型③基本不需要地面控制点，地形数据采集速度快④作业安全⑤作业周期快，易于更新⑥时效性强⑦将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统中，有利于提高自动化高速化程度4机载激光雷达与机载InSAR的比较4机载激光雷达与机载InSAR的比较LIDAR:AeroScanINSAR:Star-3i主要技术参数飞行高度:8000英尺；频率：1500HZ；带宽：1.8km；4m点间距；飞行高度：20000英尺；频率：15000HZ；带宽：8km；5m间距；主要优点垂直方向精度±15cm；小区域及走廊区域最为理想；非常适合植被覆盖和裸露区的真实DEM提取；扫描角内提供大范围扫描；垂直方向精度±1m；每km2的价格便宜，处理快；适合大范围及首次作业区；数据采集速度快；数据发布更快；主要缺点产品更贵；数据发布慢；测量带宽有限，大范围作业受限；数据获取效率低；高程精度较低；在陡坡地区，由于雷达、阴影和透视收缩效应的影响而受限制；植被覆盖地区效果较差；机载激光雷达测量同航空摄影测量的比较摄影测量机载激光雷达测量被动式测量主动式测量透视几何原理极坐标几何定位原理采样覆盖整个摄影区域驻点采样间接获取地面三维坐标直接获取地面三维坐标获取高质量的灰度影像或多光谱数据不成像或质量很差的单色影像软硬件经多年发展已经比较成熟新技术需不断发展，具有很大发展潜力可利用的传感器类型很多可供选择的传感器类型较少飞行计划相对简单飞行计划相对复杂，要求较苛刻机载激光雷达测量同航空摄影测量的比较摄影测量机载激光雷达测量在相同的飞行高度下，飞行带宽宽，覆盖面积大飞行带宽较窄，容易形成漏飞区域受天气影响理论上能全天侯采集数据，实际上背景反射越弱，测距效果越好数据自动化程度低，特别是处理航片时需要人工干预容易实现数据处理自动化GPS（INS可选）、GPS/INS数据采用率低GPS+INS（价格昂贵）、GPS/INS数据采样率高5几种商用机载激光雷达测量系统简介•ALTM1020TS•TopoSys•Fli-Map1•SaabTopEyeALTM1020TopoSysFli-MapTopEye主要技术指标系统名称ALTM1020TopoSysFli-Map1TopSys扫描方式振动扫描镜旋转扫描镜或光纤阵列旋转扫描镜振动扫描镜载体平台飞机、直升飞机飞机、直升飞机直升飞机飞机、直升飞机激光波长（）1.0471.5400.91.064脉冲频率（KHZ）28386扫描频率0-506004025扫描角0-±20°±7°±30°±20°/±10°飞行高度(m)330—1000100020—200200—1000扫描带宽0—0.73H0.25H1.15H0.73H回波记录首次或尾次首次、尾次首次多次激光脚点1点/6m24点/1m29点/1m21点/4m2理论侧滚0.04°0.01°0.08°—0.1°0.02°航向精度0.05°0.02°0.1°—0.15°0.03°6工作流程及内业数据处理飞行计划系统参数测定和检校GPS数据质量检查数据内业后处理野外初步质量分析和控制外业数据采集是否航迹计算激光脚点位置计算激光点云生成分割自动分类手工分类内部QA/QC最后QA/QC小结1.机载激光雷达测量的系统组成、激光扫描测距的原理、动态GNSS定位、INS姿态测量系统、GPS确定姿态的基本原理和方法2.分析了机载GPS动态定位的主要误差源3.给出了机载激光雷达测量的定位原理，介绍了几种常用的记载激光雷达测量系统的技术参数指标4.总结了机载激光雷达测量技术的优越性，并在此基础上详细比较比较了机载激光雷达测量同机载InSAR系统以及同摄影测量的差异，各自的优缺点5.机载激光雷达系统的工作流程和数据处理步骤谢谢！