激光扫描测距技术（Light Detection and Ranging LiDAR） 是一种快速直接获取地形表面模型的技术
LIDAR是一种集激光测距、GPS（全球定位系统）和 INS（惯性导航系统）三种技术与一体的空间测量系 统 。是一种新型光传感器。LIDAR并非雷达 （Radar），雷达是声波传感器。
减少误差的方法：
扫描仪定期标定，确定测距和测角的系统误差。 扫描作业合理规划，尽量减少测站次数，从而减 少因点云配准引入的配准误差 缩短扫描距离，减少大气对激光传输的影响。 尽可能进行垂直扫描，避免激光光斑形状造成的 扫描点位置不确定性 采用滤波和拟合等数据处理手段，提高点云数据 质量
点云
剔除非目标物（不相关点云）
机载激光扫描
激光扫描仪： 机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据， 测量地形同时记录回波强度及波形激光扫描仪，是 LiDAR的核心，一般由激光发射器、接收器、时间间 隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。 线激光器发出的光平面扫描物体表面，面阵CCD 采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像，在计算 机中对激光扫描线图像进行处理，依据空间物点与 CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息，得到 物体表面的三维坐标数据，快速建立原型样件的三 维模型。
坐标计算公式
• Ｘ=Ｓcosθcosα • Ｙ=Ｓcosθsinα • Ｚ=Ｓsinθ
仪器坐标系
点云数据误差
• 大致可分为四类：仪器误差、与目标物体 反射面有关的误差、外界环境条件、点云 配准。 • 仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量 误差，包括激光测距的误差；扫描角度测 量的误差； • 与目标物体反射面有关的误差主要包括目 标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的 影响； • 外界环境条件主要包括温度、气压等因素。
中尺度
Range: XX cm – XX m
Accuracy: cm
Accuracy: mm
小尺度
Range: XX mm – XX m Accuracy: m
• 2001 瑞士Leica收购Cyra开发HDS（high definition surveying）系列地面激光扫描仪, 配套软件为cyclone系列 HDS2500（又叫 cyrax2500）
三维 建模
三维 建模
三维 建模
LiDAR在灾害监测与环境监测方面的应用
利用机载LIDAR产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范 围，制定灾难减轻方案以及补救措施。也广泛应用于自然灾害 （如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。 由于激光扫描数据构成的三角网高程值可以用颜色表示不同 高度的水位，对于水利测量、水灾评估都极有用处。
对于规划电网线路，通过机载激光扫描测量 技术采集和处理的规划沿线数据，为电力线路优 化，外业勘测，设计施工提供数据支持与指导。 对于已建设电网线路，利用机载激光扫描测 量技术采集和处理的电网沿线数据，可以恢复电 线实际形状，自动测量电线到地面的距离和相邻 电线间距，计算垂曲度、跨度等，实现危险点预 警，以便及时调整与维修线路。
三维激光扫描系统主要应用领域
• • • • • • • • 地形测量 建筑物平、立、剖面图的制作 船舶外形测量考古现场记录 事故现场调查 工厂数字化三维设计改造 数字城市 管道三维工程改造重新设计 数字文物（大佛 雕塑 景观小区）存档 矿区土方开挖断面和体积量测
三维激光扫描仪的技术目前应用领域
-三维测量；反向工程； -工程施工质量监控，规划，管理； -三维可视化设计 -动态设计优化； -建立三维数字化多源数据库 -高精度，多维数字化信息用于紧急应急 -城市规划 -国土资源评估及管理 -重点基础设施维护管理； -三维分析
城市整体规划
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模 型
具有多次反射 LIDAR数据 航空影像 预处理 （消除大误差） 消除树丛 （利用多次反射）
生成DEM
分类地面点
删除地面点 生成DOM 清除噪声和碎片 三维数字 建筑物模型 提取建筑物 矢量轮廓
得到建筑物点
矢量数据采集和3D建模
George Vosselman 2005
• 中国南方测绘
三维激光扫描技术特点： -快速高精度地将三维现实空间数字化， 并存 进数据库 -快速扑获大量三维数字化信息， 如三维坐标， 几何形体及三维影像信息； -对现实空间物体及 性状 做实时监控， -对三维现实信息做精确快速处理， 分析； -由原来的单点测量变为面式，体式测量； -由原来的影像信息与方位信息分离，转变为多 源信息的复合获取； -由原来传统的二维平面设计转变为三维可视化 设计
LiDAR在海岸工程方面的应用
传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地 区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更 新基准测量数据。机载LIDAR是一种主动传感技术，能以低成本 做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能 力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、 海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。
机载激光扫描
LiDAR数据采集及处理流程
LiDAR的应用
• • • • • • • 数字高程模型(DEM)的应用 农林业方面应用 电力行业应用 公路勘察设计应用 海岸工程方面应用 灾害监测与环境监测应用 数字城市应用
LiDAR在数字高程模型(DEM)的应用
和传统测绘方法相比，LiDAR具有的优势： 1、能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。 2、建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响 3、在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势 4、Lidar直接获取三维坐标，无需对DEM数据进行正射校正。
三维激光扫描技术简述
问题：3D-LST 与 LiDAR
三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology , 3D-LST） 是一种先进的全自动高精度立体扫描技术
地面激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanning ,TLS） 机载激光扫描仪(系统)（Airborne Laser Scanning,ALS）
美 Faro生产 LS 系列，Photon 系列，配套 软件FARO Scence,FARO Scout,FARO Record,FARO Works,FARO Cloud。相位厂 家。两个大耳朵
• 日本 Topcon 推出 IS影像型三维扫描全站 仪和 GLS-1000 • 德国厂家 CALLIDUS ,Z+F, ArcTion • 英国厂家 3DLaserMapping • 澳大利亚厂家 I-SITE
建模成果
观测南校高楼实验
扫描点云
线划图
建模
mp; DOM+Laser 点云+DEM DOM & DEM DLG DOM & DLG DOM 分辨率 0.2m) Laser 点云数 据
机载激光扫描
机载 LIDAR （机载激光扫描系统） 全称：激光探测及测距系统 机载激光扫描测量系统是一种主动航空遥感装置，是 实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获 取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实 形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术。
机载激光扫描
激光测距原理 激光扫描最基本的工作原理与无线电扫描没有区 别，即由扫描发射系统发送一个信号，经目标反射后 被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定 目标的距离。 激光器到反射物体的距离(d)=光速(c)×时间(t)/2 激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每秒几万 个脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。结 合GPS得到的激光器位置坐标信息，INS得到的激光 方向信息，可以准确地计算出每一个激光点的大地坐 标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成点 云图像。
机载激光扫描
激光扫描工作原理图
机载激光扫描
机载激光扫描设备 机载激光扫描测量系统设备主要包括三大部件： 机载激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统POS （包括全球定位系统GPS和惯性导航仪IMU）。
机载激光扫描
POS系统：
POS系统部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态， 其中GPS确定空间位置，IMU惯导测量仰俯角、侧滚角和航 向角数据。 机载LiDAR采用动态载波相位差分GPS系统，利用安装了 电机上与LiDAR相连接的和设在一个或多个基准站的至少两 台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时记 录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，再进行载波相 位测量差分定位技术的离线数据后处理，获取LiDAR的三维 坐标。 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，将它对实践进行积分，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。
三维激光扫描技术
• 是什么？
• 分类情况？ • 有何用？
• 有什么特点？
• 三维激光扫描技术 是用三维激光扫描 仪获取目标物表面 各点的空间坐标， 然后由获取的测量 数据构造出目标物 的三维模型的一种 全自动测量技术。
空间尺度
Range: XX km Accuracy: cm
大尺度
Range: XX m – XX km
LiDAR在农林业方面应用
激光扫描技术能够精确地获取树木和林冠下地形地貌和农作 物信息，在农业、林业调查与规划利用中，我们可以利用激光 扫描的数据，分析森林树木、农作物的覆盖率和面积，了解其 疏密程度以及不同树龄树木的情况、推算其数量，以便于人们 对森林和农业进行合理规划和利用。
LiDAR在电力行业应用
城市淹没分析
LiDAR在灾害监测与环境监测方面的应用
泥石流监测
地震断裂带监测
LiDAR在数字城市方面的应用
在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经 不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发 展的必然，也是“数字地球”的要求。因此，对快速获取三维空 间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。LIDAR系统在 城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速 采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理 映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市 规划的大比例尺地形图获取。