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
2nd 返回 从树枝
3rd返回
从地面
机载LiDAR多次回波信息-房屋
1st 返回
从房顶
1st (仅一次) 从地面返回
2nd 返回 从房檐
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
离散回波记录
连续波回波记录
机载LiDAR分类
激光雷达
针对大气应用：大气圈层结构 航空测绘应用：地形测量 地面激光雷达：近地面三维建模
• 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
• 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。
• 主要由三种类型的扫描原理
– 摇摆扫描镜（oscillating mirror) ，为Leica ， Optech采用
– 旋转多棱镜（rotating polygon) ，为Riegl 和IGI采用 – 光纤扫描（fiber scanning)，仅为TopoSys的Falcon
系统采用
机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜
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， 其最初目的是为获取高精 度数字表面模型。经一定 处理，获得剔除植被、人 工建筑等以后的数字地面 模型。应用已经扩大到基 础测绘、林业管理、管线 选线、岛礁测绘、困难地 区测绘等领域
机载LiDAR系统直接获取高精 度的数字表面模型，还可以同 时获取回波、强度等数据为目 标识别、分类提供辅助数据。 机载LiDAR系统可以携带航空 多光谱CCD相机，具备了同时 获得多光谱CCD影像的能力， 为后续应用提供了丰富的数据 资源。
0.500
飞
0.400
行
高
0.300
度
和
0.200
精
度
0.100
、
0.000
扫
0
1000 2000 3000 4000 5000 6000
描
Flying Height (m AGL)
角
度
机载LiDAR的重要参数
• 常见参数：
• 飞行高度：依据测区地物反射率 • 水平精度、垂直精度 • 回波次数/是否有全波形数字化仪 • 强度信息量化级别：一般8 -- 12bits • 发射和扫描频率：发射频率200 -- 400KHz，扫描频率
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
离：
R
1 2
ct L
Clock Sensor Head
Return
Target
机载LiDAR数据采集原理
Result: XYZ Pos. in WGS84 坐标系
机载LiDAR数据特点
• 数据的密度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
– 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
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
1st 返回
从树顶
1st (仅一次) 从地面返回
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 引起误差
•扫描条带两边的点密集， 而中间的点少
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
形扫描线
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
GPS & INS Distance Position.
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
➢ 在给定系统误差的情况下，LIDAR获得的三维坐
标精度可以看做是地形和植被覆盖的函数。
0.800
AeroScan System Accuracy
Estimated Accuracy @ FOV edge (m, 1 sigma)
LeicaASL50
0.700 0.600
horizontal (75) horizontal (45) vertical (75) vertical (45)
机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪
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：
•视场角不可调节 •不适合较高的航高获取数据
旋转正多面体扫描镜只有一个旋转 方向，其每个表平面都按同一方向 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