1、2022年11月10日星期四1激光雷达技术原理激光雷达技术原理 主讲人：康志忠主讲人：康志忠 博士博士 副教授副教授测绘工程教研室测绘工程教研室土地科学技术学院土地科学技术学院2022年11月10日星期四2第一章第一章 绪论绪论2022年11月10日星期四3第一第一章章 绪论绪论什么是Lidar?“光探测和测距”(LiDAR,Light Detection And Ranging)光雷达(非激光)激光雷达(激光)。激光雷达技术可实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取,再现客观事物的实时的、真实的形态特性,为快速获取空间信息提供了简单有效手段。2022年11月10日星期四4第一第一章章 绪论绪
2、论 激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,具有以下优势：非接触式非接触式 精度高（毫米级精度高（毫米级/亚毫米级）亚毫米级）速度快（可达速度快（可达120120万点万点/秒）秒）密度大密度大(点间距可达毫米级点间距可达毫米级)数据采集方式灵活，同时对环境光线、温度都要求较低数据采集方式灵活，同时对环境光线、温度都要求较低LiDAR技术的优势技术的优势2022年11月10日星期四5LiDAR测量测量原理原理 测时（测时（Light transit time）第一第一章章 绪论绪论2022年11月10日星期四6 根据测定时间方法的不同，LiDAR测距原理可分为：1 1、脉冲法测距、脉冲法
3、测距直接测时 2 2、相位法测距、相位法测距间接测时第一第一章章 绪论绪论测距原理测距原理2022年11月10日星期四7脉冲法测距脉冲法测距 直接直接 LiDAR发出光脉冲（或电脉冲），经物体表面反射回到LiDAR。测定接收光脉冲和发射脉冲时间差t称脉冲法测距脉冲法测距。ctD21测距精度为测距精度为1 1cmcm，时间时间测量精度是多少？测量精度是多少？讨论：讨论：2022年11月10日星期四8相位法测距相位法测距 间接间接 相位法测距是采用测定“调制光波”往返于被测距离上的相位差，间接求定距离的方法。2022年11月10日星期四9相位法测距相位法测距 间接间接21NTfcfTfNcctD2
4、121,2022年11月10日星期四10相位法测距相位法测距 间接间接问题：问题：1、相位测量仅能测出不足一周的相位差2、相位差的分辨率限制测距的精度解决：解决：为了保证精度而又兼顾测程，采用几个调制光波长配合测距。例如：测量386.57m的距离，用精测尺测量时，得到6.57m，用粗测尺测量时，得到386.5m，组合得到完整的距离值。2022年11月10日星期四11LiDAR测距测距 小结小结优势：优势：脉冲法：测程远（6KM）相位法：精度高，采样率高（120万/秒）劣势：劣势：脉冲法：精度低相位法：测程近（100米），无法测定整周相位数2022年11月10日星期四12LiDAR测量测量原理原
5、理 三角测量（三角测量（Triangulation）第一第一章章 绪论绪论)tan(ZX)tan(00fpBfZ（1617年，荷兰人斯涅耳年，荷兰人斯涅耳(WSnell)首创三角测量法）首创三角测量法）Linear laserSpot detectorX12f012SideviewFrontviewOpticalCentreLaserSourceVan Leeuwenhoeksingel,Delft,The Netherlands国际水利环境工程学院国际水利环境工程学院IHEAsian Night2022年11月10日星期四161 1、窗口式扫描、窗口式扫描一个激光器，两个旋转轴异面且互相垂直
6、的反光镜，由步进电机带动旋转，沿纵向和横向依次扫过被测区域第一第一章章 绪论绪论扫描方式：扫描方式：2022年11月10日星期四172 2、全景扫描、全景扫描一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体由电机带动水平旋转第一第一章章 绪论绪论扫描方式：扫描方式：2022年11月10日星期四183 3、移动扫描、移动扫描一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体随平台移动第一第一章章 绪论绪论扫描方式：扫描方式：2022年11月10日星期四194 4、结构光扫描、结构光扫描投影光栅，一次扫描（每一条激光线上分布了640个激光点，一次扫描发射480条激光线）第一第一章章 绪论绪论扫描方式：扫描方式：2022年1
7、1月10日星期四20扫描方式激光脚点轨迹摆镜扫描方式旋转棱镜扫描方式光学纤维电扫描方式圆锥镜扫描方式四种典型的LiDAR系统的扫描方式2022年11月10日星期四21LiDAR分类（搭载平台）分类（搭载平台）星星载载-激光高度计激光高度计 机载机载-LiDARLiDAR车载车载-LiDARLiDAR固定式固定式-激光扫描仪激光扫描仪第一第一章章 绪论绪论2022年11月10日星期四22LiDAR分类（搭载平台）分类（搭载平台）星星载载-激光高度计激光高度计 机载机载-LiDARLiDAR车载车载-LiDARLiDAR固定式固定式-激光扫描仪激光扫描仪第一第一章绪论章绪论2022年11月10日星
8、期四23激光测高的概念EarthCenterof Massrr uR仪器中心到地表的距离 r(基于飞行时间）仪器中心的位置 r（基于精确定轨precision orbit determination，POD）激光束姿态信息 u（基于精确定姿precision attitude determination(PAD)）确定激光点的平面位置和大地高（基于地心）2022年11月10日星期四24星载系统星载系统Geoscience Laser Altimeter System(ICESat)(2003年1月12)Mars Orbiter LITE aerosol Backscatter LidarVeg
9、etation Canopy Lidar(in stasis)SPARCLE EO-2(Cancelled)Mars Polar Lander Lidar(spacecraft lost)Calipso(2006年4月28日)2022年11月10日星期四25美国美国NASA ICESat/GLAS 计划计划 美国NASA 于2003 年1月12日发射了全球第一颗星载激光雷达卫星ICESat,星载的传感器GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)是第一个用于全球连续观测的激光扫描设备,该卫星将测量两极冰面地形及其随时间的变化,测绘陆地地形图,获取全球数字高程模
10、型。与机载LiDAR 相比,星载LiDAR 具有许多不可替代的优势。星载LiDAR 采用卫星平台卫星平台,运行轨道高运行轨道高、观测视野广观测视野广,可以触及世界的每一个角落,为境外地区三维控制点和数字地面模型(Digital Elevation Models,DEM)的获取提供了新的途径,无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。星载LiDAR 还具有观察观察整个天体天体的能力,美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载LiDAR 传感器,所提供的数据资料可以用于制作天体的综合三维地形图。此外,星载LiDAR在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测
11、等方面也可以发挥重要作用。2022年11月10日星期四2626中国“嫦娥一号”、“嫦娥二号”美国“克莱门汀”日本“月亮女神”印度“月球初航”2022年11月10日星期四272022年11月10日星期四27我国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”搭载了包括CCD立体相机和激光高度计在内的8台有效载荷，于2007年10月24日在西昌卫星中心发射。2009年3月1日完成任务成功落月 共计发回包括激光测高和CCD影像数据在内的原始数据1.39TB。2022年11月10日星期四282022年11月10日星期四28三线阵数字传感器正在成为当代摄影测量与遥感获取空间数据的重要手段之一。激光高度计可实现获取卫星下方月
12、表地形高度数据的任务。+CCD立体相机+激光高度计联合绘制月表三维影像可作为一种新的行星表面测绘模式！2022年11月10日星期四292022年11月10日星期四302022年11月10日星期四312022年11月10日星期四312010年10月1日18时59分57秒，搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。CCD立体相机分辨率：120米:7米 激光高度计测距频率：1Hz:5Hz嫦娥一号与二号载荷参数比较：2022年11月10日星期四32LiDAR分类（搭载平台）分类（搭载平台）星星载载-激光高度计激光高度计 机载机载-LiDARLiDAR车载车载-LiDARLiDA
13、R固定式固定式-激光扫描仪激光扫描仪第一第一章绪论章绪论2022年11月10日星期四33 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差分定位技术迅速发展的集中体现。机载激光雷达系统是一种集激光测距、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一体的系统，用于获得数据并生成精确三维地形（DEM）。LiDAR系统主要包括激光测距仪和接收系统，激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并发射回来，最终被接收器接收。机载激光雷达（LiDAR）介绍2022年11月10日星期四34激光扫描仪 采用直升机或者固定翼飞机作为飞行平台，用来装载测量装置，通过激光
14、扫描仪与实时动态GPS定位系统对地面进行高精度、实时量测。惯性导航系统 完全自主式导航系统，它利用陀螺和加速度计这两类惯性传感器的测量信息直接计算出飞机的姿态、速度、位置等导航参数。动态差分GPS定位系统 用于确定扫描装置投影中心的空间位置，实时计算导航所需数据、系统状态。成像装置 机载激光雷达扫描系统采用的成像装置通常为CCD或摄像机。机载激光扫描系统组成2022年11月10日星期四35从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标(X,Y,Z)。机载激光扫描系统工作示意图2022年11月10日星期四36 机载激光扫描系统中的测距单元包括激光发
15、射器和接收器，激光扫描是主动工作方式，由激光发射器产生激光，而由扫描装置控制激光束发射出去的方向。在接收器接收被返回来的激光束后由记录单元进行记录。机载激光扫描系统工作原理2022年11月10日星期四3737LiDAR工作原理2022年11月10日星期四3838 发射激光脉冲 入射脉冲传播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四3939 发射激光脉冲 入射脉冲传播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四4040 发射激光脉冲 入射脉冲传
16、播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四4141 发射激光脉冲 入射脉冲传播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四4242 发射激光脉冲 入射脉冲传播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四4343 发射激光脉冲 入射脉冲传播到目标物 入射脉冲与目标物作用 反射脉冲返回到接收机 回波信号处理ReceiverLaser2022年11月10日星期四44u是一
17、种直接主动式测量方法，受天气条件的影响少。u地面控制工作大大减少，基本不需要地面控制点，大大提高作业速度。u作业安全，它能进行危险地区（如沼泽地带、大型垃圾堆等）的测图工作。u作业周期快，易于更新，时效性强。u激光脉冲信号能部分穿过植被，是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。u可以进行电力线检查。u不受地域地形限制，可同时测量地面和非地面层。LiDAR的特点2022年11月10日星期四45uLiDAR系统获得的数据具有分布不规律，坐标不连续的特点。u用于普通地形测量的LiDAR系统所发射的激光脉冲很容易被水吸收而很难产生发射光。因此，该系统难以确定水系的边界。u到目前为止，还没有一套
18、通用的作业规范和流程。u目前LiDAR系统的价格昂贵，也一定程度上限制了该系统的普及应用。LiDAR的缺点2022年11月10日星期四46从激光数据采集到直接得到DEMDEM生产流程2022年11月10日星期四47三维显示，平均点间隔约0.4米原始激光点云数据2022年11月10日星期四482022年11月10日星期四49 数字地面模型（DTM）的获取 3D城市建模 林业的应用 带状目标测图 灾害调查与环境监测 古建筑文物保护 数字电网 数字水利 数字勘测机载激光雷达技术的主要应用领域2022年11月10日星期四50海岸线监测2022年11月10日星期四5151走廊测图（电力线、高速公路）20
19、22年11月10日星期四5252DTM生成2022年11月10日星期四5353三维城市建模2022年11月10日星期四5454高分辨率高分辨率LIDAR+影像生成的三维地形模型和景观模型影像生成的三维地形模型和景观模型2022年11月10日星期四5555copyright Asia Airsurvey K.K./Japan洪水模拟2022年11月10日星期四5656土方量测2022年11月10日星期四57LiDAR分类（搭载平台）分类（搭载平台）星星载载-激光高度计激光高度计 机载机载-LiDARLiDAR车载车载-LiDARLiDAR固定式固定式-激光扫描仪激光扫描仪第一第一章绪论章绪论20
20、22年11月10日星期四58地面三维激光扫描仪地面三维激光扫描仪 地面三维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,采用非接触式高速激光测量方式,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD 数字摄影和仪器内部校正等系统。地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表。有人称“三维激光扫描系统”是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。2022年11月10日星期四59地面地面LiDAR系统的优势系统的优势：1.速度快,
21、节约大量的时间,测量完整，精确获取静态物体精细三维坐标；2.不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量；3.特别适合测量表面复杂的物体及其细节的测量；4.快速和准确地确定表面、体积、断面、截面、等值线等；2022年11月10日星期四60 中国地质大学（北京）土地科学技术学院测绘工程教研中国地质大学（北京）土地科学技术学院测绘工程教研室目前拥有室目前拥有RIEGL LMS Z620 三维激光扫描仪一台。三维激光扫描仪一台。有效测量距离：有效测量距离：2km 最大角度分辨率：最大角度分辨率：0.002平均精度（平均精度（100米距离）：米距离）：5mm水平扫描水平扫描角度角度范围范围：0-360垂
22、直扫描垂直扫描角度范围：角度范围：0-80LiDAR技术技术2022年11月10日星期四61LiDAR分类（搭载平台）分类（搭载平台）星星载载-激光高度计激光高度计 机载机载-LiDARLiDAR车载车载-LiDARLiDAR固定式固定式-激光扫描仪激光扫描仪第一第一章绪论章绪论2022年11月10日星期四622022年11月10日星期四62基本组成部分:GPS/INS直接定向数字成像传感器,激光扫描仪影像传感器可以是：框幅式相机 线阵相机(推扫式)系统组成：系统组成：2022年11月10日星期四632022年11月10日星期四63技术特点技术特点 具体表现为测速快，后处理快，直接获取点云数据
23、，测速快，后处理快，直接获取点云数据，360度获取数据度获取数据，没有死角，数据精度可达厘米级，没有死角，数据精度可达厘米级。车载Lidar测量系统可以通过安装在火车上火车上或铁轨上的一个移动平台铁轨上的一个移动平台来迅速获取铁路沿线的三维地理空间数据迅速获取铁路沿线的三维地理空间数据。所测量的数据精度可达厘米级，可用于确定铁路沿线两侧各500m范围内形变。2022年11月10日星期四64实例实例车载激光扫描系统车载激光扫描系统:Lynx(Optech)or Street Mapper(Newcastle University&3D Laser Mapping Ltd.)2022年11月10日星期四65三维激光扫描技术的应用三维激光扫描技术的应用2022年11月10日星期四66三维激光扫描技术的应用三维激光扫描技术的应用地形剖面及等高线的生成及输出层间错动带坡度7435252731层层平台上游侧边坡节理裂隙调查及辅助地质编录 隧道施工验收与变形监测 边坡变形监测应用危岩体的空间分布位置及边界范围确定危岩体的空间分布位置及边界范围确定
