机载LiDAR数据处理

辽宁工程技术大学测绘学院摄影测量与遥感教研室任课教师：王丽英激光遥感数据处理机载激光雷达数据处理课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英1激光激光（Laser，LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英物质中的原子、离子和分子等粒子都处于一系列不同的非连续的能量状态，这些状态称为能级。通常，粒子都处于能量最低的能级──基态。当粒子受到外部能量的激发时，它可吸收一定的能量跃迁到较高能级，这个过程称为受激吸收。粒子总是力图使自己处于能量最低的稳定状态，处于高能级的粒子又会自发地跃迁到较低能级上，同时以光子形式释放出多余的能量。光子的能量等于两能级之间的能量差，这种没有外界作用的光发射称为自发辐射。普通光源（如电灯、日光灯等）都是靠这种自发辐射发光的。由于各个粒子都各自独立而无规律地进行自发辐射，所产生的光在方向、频率、相位和偏振态上都不相同，相干性也很差。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英与自发辐射相反，如果有外来光子的引发或感应，则高能级上的粒子也会跃迁到低能级，并产生与入射光的方向、频率、相位和偏振态都相同的光，这种由外来光子“刺激”引起的光发射称为受激辐射。根据受激辐射理论，如果大量原子处在高能级E2上，当有外来光子入射时，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到4个特征相同的光子，这就以为着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射工程中产生并被放大的过程就是光的受激辐射放大，产生的光就是激光。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英通常，当物质处于热力平衡态时，粒子在各能级上的分布服从平衡态下粒子的统计分布规律（波尔兹曼分布律）：其中，K为波尔兹曼常数，N2、N1分别为高能态E2和低能态E1的粒子数、由于E2E1、T0,故N2N1，即高能级上的粒子数总是少于低能级上的粒子数，因而入射光使物质产生的受激辐射少于受激吸收，光束不会放大而是逐渐减弱。如果从外部不断供应能量，则可使物质中处于高能级上的粒子数在某一时刻会比低能级上的多，这种现象称为粒子数反转。此时，在外来光子的引发下，会发生大量的受激辐射,从而超过受激吸收,使光放大。如果再外加一个谐振腔，则可使光束在其中往复反射，即形成持续的振荡，使光束不断增强，最后从一端输出强大的光，这就是激光。KTEEeNN1212课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英2激光雷达激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英LiDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。同时记录下目标的反射率特性，即回波强度信息，强度数据可表示为像素的灰度，从而形成图像，即强度图像。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英3激光测距技术激光测距原理：测距仪由激光发射系统和探测系统组成。工作时，激光器发射激光，光束穿过大气到达目标，经目标反射后返回，并由探测器接收。测出从激光发射到反射光被接收所经历的时间，根据运动学中最基本的关系即可求出目标的距离。激光测距测量距离一般有两种方式：脉冲法和相位法。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英脉冲激光测距：如果光以速度c在空气中传播，在A、B两点间往返一次所需时间为t，则A、B两点间距离D可用下列表示。D=ct/2式中：D-测站点A、B两点间距离；c-光在大气中传播的速度；t-光往返A、B一次所需的时间。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英相位式激光测距原理是首先向目标发射一束经过调制的连续波激光束，光束到达目标表面后被反射,通过测量发射的调制激光束与接收机接收的回波之间的相位差，可得出目标与测距机之间的距离。若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往返一次产生的相位差为φ，则对应时间t可表示为：t=φ/ω其中，ω=2∏f，f为调制光频率课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英4概念机载LiDAR（LightDetectionandRanging）技术是将全球定位技术（GlobePositionSystem）、惯性导航技术(InertialNavigationSystem)、激光测距技术(ScanningLaserRanging)有效集成，实现快速获取地面三维坐标的对地观测技术。不同的文献对其称呼有：LA(LaserAltimetry，激光测高)，ALA(AirborneLaserAltimetry，机载激光测高)，ALS(AirborneLaserScanning，机载激光扫描测量系统)，ALM(AirborneLaserMapping，机载激光测绘系统)，ALTM(AirborneLaserTopographicMapping，机载激光地形测绘)，LiDAR(LightDetectionandRanging，激光雷达)等。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英5机载激光雷达系统组成机载激光雷达系统集成了多种先进技术的复杂系统，他需要多个模块共同协作，才能发挥效能。LiDAR系统由空中和地面两部分组成。空中部分包括遥感器平台、激光扫描仪、PositionandOrientationSystem(POS)、多波段传感器、同步控制装置；地面部分包括GPS参考站、离线执行的软件及硬件。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英6激光雷达对地定位原理已知空间一点G的三维坐标（XG,YG,ZG），并可准确测出由G点到待测定点P的矢量（模、方向余弦），那么就可以根据已知点加矢量的方法求出待测定点P的三维坐标(XP，YP，ZP)。通常已知点G的三维线坐标由GPS提供，方向余弦由观测平台法线的俯仰角φ、侧滚角ω、航偏角κ及观测方向与法线间夹角θ组成的矢量矩阵算出（其中观测平台法线的φ、ω、κ由姿态测量装置给出，矢量的模s由激光测距仪给出）。上述XG、YG、ZG、φ、ω、κ、θ、s已知，那么任意待测定点P的三维坐标(XP，YP，ZP)即可求出。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英光学机械扫描单元激光测距仪只能实现某一具体方向上的单点测量，借助于安装平台的飞行，可以实现沿飞行方向的扫描测量，而要实现沿整个目标表面逐点测量的目的，就需要借助于机械扫描装置以实现垂直于飞行方向的扫描测量。一束激光脉冲一次回波只能获得一个激光脚点的信息，因此需要借助一定的机械装置，通过扫描的方式进行测量。目前的机载LiDAR系统共有四种典型的机械扫描方式：摆镜扫描、旋转多面镜扫描、圆锥扫描以及纤维光学阵列扫描。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英摆镜扫描镜，旋转棱镜扫描仪，光纤扫描仪，旋转正多面体扫描仪课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英摆镜扫描方式原理：系统通过电动机带动反射镜，围绕转轴按照某一固定角度反复摆动，当反射镜在不同位置时，入射光线与镜面的夹角（入射角）是周期变化的，与此对应，反射光线也将以不同的反射角度而发出，这样在地面上的激光脚点就会落在不同的位置。摆镜周期性地摆动，激光脚点的位置就会周期性地在地面扫过，形成了垂直于转轴轴向的地面扫描。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英Leica的ALS60型和Optech公司的ALTM3100EA型。激光脚点分布特点：由于摆镜在两个方向往复摆动，对于地面产生的扫描线也是双向扫描；由于飞行方向与扫描方向垂直，结果在地面上形成Z状扫描线；由于机械运动的原因，摆镜在最边缘处加速度最大、速度最小，从而使激光脚点在边缘处扫描速度慢，具有过多的采样点，数据点密集；同样在航线正中间由于摆镜速度最大，则激光束扫描速度快，导致地面采样点稀疏。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英旋转棱镜扫描旋转棱镜扫描方式使用一个可沿转轴旋转的棱镜作为反射镜，控制发射激光束的方向。棱镜的法线方向与旋转轴的轴向有一个夹角，镜面与旋转轴不垂直，它与旋转轴垂面的夹角为（与相等），旋转轴线与水平面的夹角为45度。激光器发射出的激光束照射到反射镜面，经过反射指向地面。反射棱镜每旋转一周，激光束在地面上激光脚点的轨迹就形成一个椭圆。随着飞机飞行，激光脚点形成沿飞行方向前进的无数椭圆。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英旋转多面镜扫描方式在主流LiDAR系统不常使用，在海洋激光雷达中使用较多，我国自行研制的机载激光遥感基础系统使用的是这种方式。激光脚点特点：通过倾斜扫描镜使扫描镜的镜面具有一定倾角，旋转轴与发射装置的激光束成45度夹角，随载体的运动光斑在地面上形成一系列有重叠的椭圆。优缺点：最大优点是机械结构简单，运行平稳，适于高速旋转，有利于提高效率；可以获得具有一定重叠度的椭圆扫描轨迹，从而使测量的点的密度增大，并且可以对某些遮挡地区进行测量(在当前扫描视场角中被遮挡的地区，在下一个扫描角中，往往可以被测量到)。但是，其缺点也是明显的：测度分布不均匀，数据处理比较麻烦。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英旋转正多面体扫描其原理是：将正多面体棱镜作为反射镜，沿其中一轴设一转轴，通过电动机带动转轴转动，使正多面体棱镜做匀速转动。随着镜面的转动，其位置不断变化，入射角也不断变化，反射光束的方向也随之变化。假设转速为，由于各个镜面都是相同的，则每隔360/的时间，镜面将回到初始位置。同样，反射光束方向也将回到初始位置。这样，镜面位置的变化时周期性的，反射光束方向也周期性地变化，地面上激光脚点的位置也在一定范围内往复变化。若沿转轴的轴向飞行，即可实现激光束对地扫描。课程名称：激光遥感数据处理辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院摄影测量与遥感教研室王丽英激光脚点分布特点：由于转轴只沿着一个方