机载激光雷达-李德仁

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1、LiDAR原理,技术与应用武汉大学李德仁院士2010年7月23日,青岛主要内容一、机载LiDAR原理,技术与应用二、机载LiDAR与光学影像的联合处理三、基于光学成像和激光雷达技术的移动测量系统四、地面LiDAR及在文物保护中的应用五、结束语一、机载LiDAR原理激光回波测距原理激光是具有大功率、高度方向性的光束。激光回波测距的原理是由激光器发射激光并接收回波，加上一个能记录激光发射和接收时间点的计时器，就很容易的通过以下公式得到距1离：RctL2ReturnClockTargetSensorHead机载LiDAR数据采集原理G

2、PS&INSPosition.DistanceResult:XYZPos.inWGS84坐标系由回波测距测量距离、由POS系统测量飞机姿态和激光束扫描角度，即可以获得激光束在地面撞击点的三维坐标。该装置安置在卫星、飞机和汽车上，分别为星载、机载和车载激光雷达。地面LiDAR无需POS系统。机载LiDAR扫描原理•上述激光测距系统，只能测量单点的三维空间坐标。要进行面状测量，必须要加入扫描装置•主要由三种类型的扫描原理–摇摆扫描镜（oscillatingmirror)，为Leica，Optech采用–旋转多棱镜（rotatingpo

3、lygon)，为Riegl和IGI采用–光纤扫描（fiberscanning)，仅为TopoSys的Falcon系统采用机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜优点：•扫描角度可以调节•较高的数据获取航高缺点：•扭矩、加速度、机器磨损两个摆动方向而产生对于地面的双向扫描，在地面上形成Z引起误差形扫描线•扫描条带两边的点密集，而中间的点少机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜密度最均匀情况密度最不均匀情况•比较适合于精度要求不太高，而测量面积又比较大的应用场合•设备要经常进行检校，使用时间过长后，精度受影响较大机载LiDAR扫描原理-旋转正多

4、面体扫描仪优点：•扫描点是均匀分布的•旋转较扭矩式磨损少，设备能保持长期的可靠性和稳定性缺点：旋转正多面体扫描镜只有一个旋转•视场角不可调节方向，其每个表平面都按同一方向•不适合较高的航高获取数据扫描，在地面形成单向扫描平行线机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪点云数据分布均匀机载LiDAR扫描原理-光纤扫描仪优点：•是发射光路和接受光路一一对应，激光发射频率不受航高视场角约束•点云数据密度均匀（同旋转正多面体扫描仪）缺点：扫描角固定•数据获取范围小•要求飞机平台低速飞行激光束固定的纤维线阵机载LiDAR多次回波信息-树木1

5、st返回从树顶2nd返回1st(仅一次)从树枝从地面返回3rd返回从地面机载LiDAR多次回波信息-房屋1st返回从房顶2nd返回1st(仅一次)从房檐从地面返回3rd返回从地面传统遥感传感器是地表的二维成像全数字波形分析概念连续波回波记录离散回波记录机载LiDAR分类针对大气应用：大气圈层结构激光雷达航空测绘应用：地形测量地面激光雷达：近地面三维建模在测绘领域中，所谈的机载激光雷达大部分指用于地形测绘用的机载激光雷达系统•事实上，机载LiDAR系统有陆地和海洋之分。海洋LiDAR是为了测量海底地形而研制的，主要为国外的军方

6、使用，我们通常说的机载LiDAR主要操作于陆地上，为获取陆地DEM数据而研制的。•LIDAR系统的操作平台主要为飞机。一般航摄飞机、直升机都可以搭载LIDAR。美国NASA开始在卫星上搭载LiDAR，他们发射的ICEsat卫星上就有LiDAR系统。机载LiDAR研究背景和意义机载LiDAR是新型航空传感器。在对地观测领域，机载LiDAR系统直接获取高精其最初目的是为获取高精度的数字表面模型，还可以同度数字表面模型。经一定时获取回波、强度等数据为目处理，获得剔除植被、人标识别、分类提供辅助数据。机载LiDAR系统可以携带航空工建筑等

7、以后的数字地面多光谱CCD相机，具备了同时模型。应用已经扩大到基获得多光谱CCD影像的能力，础测绘、林业管理、管线为后续应用提供了丰富的数据选线、岛礁测绘、困难地资源。区测绘等领域机载LiDAR数据特点•数据的密度–每平米1个点或更多(0.4xo.4m)•数据的精度–垂直精度可以达到5-15cm–平面精度可以达到10-75cm•数据的分布–扫描带重叠区域数据密度高–一个扫描内点的间距很小，而扫描线之间点的间距却较大–采样模式和地形起伏对数据的分布也有影响•噪声–系统误差–高的及低的局外点(粗差)–空洞机载LiDAR数据精度影响因素

8、•LiDAR获得的水平和垂直精度和众多因素有关，主要的有内外两种因素：GPS＋IMU（POS）系统和激光系统本身都有自身的精度限制，此为内因。外因主要与航线设计、飞行条件、大气条件、地形起伏因素和植被覆盖有关。在给定系统误差的情况下，LIDA