Lidar概述.doc

LIDAR数据概述技术背景LiDAR是Light Detection And Ranging的英文缩写，称为激光雷达，是激光扫描与探测系统的简称。LiDAR技术最早是欧美一些发达国家为了满足海图制图、港口和港湾测量的特殊需要于上世纪60年代中期提出并于80年代开发出来的，一直到上世纪90年代初该技术才趋向成熟。现今，LiDAR系统主要分为两大类：机载LiDAR系统和地面LiDAR系统。同时，按照使用用途和功能差异来划分，机载LiDAR系统又可分为用于获得地面三维信息数据的地形LiDAR系统和用于获得水下地形的海道测量LiDAR系统。机载LiDAR系统（主要指地形LiDAR系统）机载LiDAR系统组成从功能上讲，机载LiDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)三种技术于一身的系统，这三种技术的结合，可以高度准确地定位地面目标的三维坐标。现今的机载LiDAR系统中还配备有千万级像素的航空数码相机，同时获取地面的高清晰数码影像。机载LiDAR系统机载LiDAR系统工作原理地球的表面以及覆盖其上的目标，譬如植被、建筑物等都可以对电磁波产生反射。LiDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射离散的激光脉冲，打在物体上并反射,最终被接收器所接受。接收器准确地测量激光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为激光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。这种直接距离测量方法是基于短波电子信号在一个均匀的介质层内(即空气)，以恒定的速度直线传播，并且在不同的介质分界面(地球表面)被反射回来。其一般原理可以简单描述为：C=C。n (1)其中，C。为真空光速，n为介质，即空气折射率从激光发射器发出的激光光束到达地面并被反射后，被激光器上的接收单元接收和记录。一般把从发射到接收这段时间称为运行时间t，这个时间参数t与光束的出发点和地面之间的双倍距离R成正比，由此可以计算出此距离：R =t?c2 (2)结合激光器的高度、激光扫描角度、时间参数以及GPS记录的位置参数和IMU记录的角度参数，就可以准确地计算出每一个激光点的三维坐标X、Y、Z。激光束发射的重复频率可以从每秒几个脉冲到每秒上十万个脉冲。例如，频率为每秒一万的脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，脉冲重复频率达到50KHz时，激光点的密度大概为每平方米5个左右。现今主流的机载LiDAR系统能同时记录同一脉冲的多次回波信号。光束可能先打在树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些打在地面上被返回，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z坐标的点记录。这个技术不仅可以用于获取地面高程，还可以同时获取植被及建筑物的高度等。机载LiDAR系统功能特点.高精度：数据成果精度很高，根据机载LiDAR设备技术指标的差异而有所不同，一般平面精度可达0.10.5米，高程精度可达厘米级；.高密集：激光点云数据很密集，一般每平方米110个激光点；.高效率：从前期数据的获取到后期数据成果的生成很高效；.高分辨率：能同步获取高清晰的数码影像数据；.主动的测量方式：主动发射激光脉冲，不依赖于太阳光照，通过接收其回波信号进行三维数据的获取；.自动化程度高：飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成；.无需大量的地面控制工作；.可以测量地物（植被和建筑物）的高度；.可以获得多种成果：DSM、DTM、DEM、 NIR、DOM、DLG、专题图、三维模型等。机载LiDAR技术应用从应用范围上来说，机载LiDAR技术可广泛的应用于农业、电力设计、公路铁路设计、国土资源调查、林业资源调查、水文信息提取、数字城市建设、灾害预警与监测、海岸工程等诸多领域。1.国土资源调查利用机载LiDAR技术可以快速有效的获取高密集、高精度、高清晰的基础地理信息数据，从中可进一步提取、挖掘各种专题信息数据，服务于国土资源的信息化管理和调查。2.林业资源调查根据机载LiDAR数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木覆盖面积。便于人们在茂盛森林中适当砍伐树木，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外，通过机载LiDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏观调控。3.电力选线、查线在进行电力线路设计时，通过机载LiDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的机载LiDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。4.交通管线设计机载LiDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。同样在进行通讯网络、油管、气管线路设计时有着重要的应用价值。5.水利项目机载LiDAR技术对于河流监控与治理有着极其重要的意义。机载LiDAR数据构成的三角网高程值可以用某一颜色赋值渲染，这样水利部门可以按某一高程值预设一颜色值渲染，即可直观看出水位淹没的范围又可测算出水位到这一高程时水位淹没的区域面积以及其危害程度。因此，水利部门可以进行有效的水利工程设计，进行河流监控与治理和水灾防治与保险。6.数字城市建设利用高精度的机载LiDAR数字地面模型与GIS系统有机的结合，可以建立和完善“数字城市”系统，对数据进行实时更新。利用机载LiDAR技术可以完成三维数字城市建设的主要部分城市三维数字模型，可以更真实反映客观世界，其中建筑物和植被的高度信息都具有很高的精度。地面LiDAR系统地面激光雷达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，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。地面LiDAR系统可分为静态地面LiDAR系统(基于脚架)和动态地面LiDAR系统（基于汽车、船舶等移动平台）。地面LiDAR系统组成一个地面LiDAR系统主要由三部分组成：三维激光扫描仪、控制器( 计算机) 和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD 和仪器内部控制和校正系统等。地面LiDAR系统组成 三维激光扫描仪地面LiDAR系统工作原理在仪器内, 通过两个同步反射镜快速而有序地旋转, 将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间差( 或者相位差) 来计算距离, 同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度, 最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。地面LiDAR系统的优势：+ 速度快, 节约大量的时间, 测量完整和精确获取静态物体精细三维坐标；+ 不需要接触物体, 昏暗和夜间都不影响外业测量；+ 特别适合测量表面复杂的物体及其细节的测量；+ 快速和准确地确定表面、体积、断面、截面、等值线等；+ 方便将3D 模型转换到CAD 系统中。地面LiDAR数据车载LiDAR数据地面LiDAR系统应用.地面景观形体测量；.复杂工业设备的测量与建模.建筑与文物保护；.城市三维可视化模型的建立；.带状地形测图测量和矿山测量；.森林和农业资源调查；.变形监测(桥梁、建筑物、高速公路、铁路等)。机载和地面LiDAR系统集成机载和地面LiDAR数据融合机载激光雷达应用介绍LIDAR利用激光传感器对地面进行扫描，同时，利用IMU（惯性导航系统）实时定位飞机姿态（250Hz），再加上GPS（全球定位系统）观测坐标（采样间隔为1秒），还可以打开LIDAR携带的数码相机进行航空摄影，获取影像数据。LIDAR地面采集精度是非常高的。高程精度，1200米航高 以下达到5-15cm，1200-2000米航高达到25cm，2000-3000米航高达到35cm；平面精度可以达到航高的3000-10,000分之一。由激光雷达航拍后获得的地面数字高程模型(DEM)资料通过计算机软件处理产生三维立体影像，加上数码相机系统获得的高清晰数码照片，能够快速生产高精度的正射影像图(Orthographic Images), 由此能够建立各种动态的三维精准虚拟空间, 这可以广泛应用于数字城市建设、数字安全防范、地形地理测绘、数字水利、抗洪救灾、海洋管理与开发、数字森林、环境生态监测、地质学、农业、旅游及野外考察、考古,电力系统, 公路交通, 无线通信设施的布局设计和管理, 和国防应用等领域，例如：1. 林业项目，根据LIDAR数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木覆盖面积。便于人们在茂盛森林中适当 砍伐树木，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外，通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏 观调控。2电力输送项目，极大地方便电网布设与维护管理工程。在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情 况。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程 可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。3.交通管线设计项目，LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。同样在进行通讯网络、油管、气管线路设计时有着重要的应用价值。4.水利项目，LIDAR技术对于河流监控与治理有着极其重要的意义。由于LIDAR数据构成的三角网高程值可以用某一颜色赋值渲染，这样水力部门可以 按某一高程值预设一颜色值渲染，即可直观看出水位淹没的范围又可测算出水位到这一高程时水位淹没的区域面积以及其危害程度。因此，水力部门可以进行有效的 水利工程设计，进行河流监控与治理和水灾防治与保险。5. 数字城市项目，利用高精度的LIDAR数字地面模型DEM 与GIS系统有机的结合，可以建立和完善“数字城市”系统，对数据进行实时更新。通过激光雷达产生或生成DSM、DTM、DEM、DOM各种数据。 激光雷达测高航测系统 雷达激光测高航测系统是由激光测距仪（LIDAR）、高精度惯性测量系统（IMU）、基于差分技术的全球定位系统（DGPS）和高分辨率数码相机组成。LIDAR（ Light Detection And Ranging）是20世纪90年代发展起来的新型传感器，它集激光扫描、POS于一体，可直接获得数字表面模型（DSM）。LIDAR系统是一个先进的主动传感系统，该系统本身发射受控制的激光照射地面和地面上的目标， 不依赖太阳光照，所以它是一个全天时日夜可以获得地面三维数据的系统。它直接获取地面三维数据比传统测量方法具有高精度、高密集、快速和成本低的优点。通过后处理技术可以把地面和其上的植被、建筑物分离开来，可同时取得DTM 和DSM。将数码相机集成到LIDAR系统中，可同时获取高精度的数码正射影像。广州建通测绘技术开发有限公司是国内最早引进这种先进技术并运用于公路勘测的企业。激光雷达测高航测系统工作指示图激光雷达测高航测系统在飞机上的安装实况LIDAR系统的特点:高精度：高程 15 cm ，水平位置 0.5 m。 高密集：高密集的点云数据能够真实反映地形地貌。高效率：飞行数据下来数小时即可得到数字地表模型，数天可以得到高精度数字地面模型和正射影像。高分辨率：可以获取高分辨率的数码影像。测量方式：主动测量，对天气的依赖程度大大减少，可以在夜间作业。自动化程度高：从飞行设计到数据获取，到最终产品的数据处理，自动化程度非常高。无需大量的地面控制工作。可以测量到植被以下的地面。LIDAR系统各部分的标称精度： IMU: 采样率为128HZ，记录三轴姿态角的精度分别为Phi/Omega0.005， Kappa可达到0.01。LIDAR: 测距分辨率5mm。DGPS（差分GPS）: 平面精度可达到10cm，高程精度可达到5cm 。DC: 根据飞机航高的不同，数码相机每个像素所代表的地面实际大小为5cm 到50cm 。 LIDAR系统数据获取及数据处理技术流程LIDAR系统最终产品精度指标： 飞机航高在1000m以内，测站到基站距离小于30km，GPS无严重失锁，平均每个激光点的点位误差为：平面:0.2m0.5m高程:0.15m利用激光数据生成的DTM精度为：平面：0.30.4m利用激光数据、GPS 、惯导数据和数码影像直接制作试验区的正射影像精度为：平面：0.301 m利用激光数据和正射影像图制作线划地形图精度为：平面：0.34m0.49m高程：0.29m0.42m 高程：0.224m可以提供的数字产品：数字表面模型（DSM）数字地面模型（DTM）数字高程模型（DEM）真正射RGB影像图(True-orthophoto)正射影像图（DOM）数字线划图(DLG)纵、横断面图三维影像漫游根据用户需要,可提供公路三维数字模型、植被高度数字模型和公路设计景观模型激光雷达测高航测系统在公路勘测中的应用：正射影像正射影像叠加等高线真正射影像数字表面模型数字地面模型利用DEM和影像生成的三维效果图激光雷达测高航测系统在其它领域的应用：电力线路选线设计公路设计土方估算国土资源调查城市规划采矿监测森林调查灾害评估海岸侵蚀LIDAR技术及应用实践LIDAR即Light Detection And Ranging，也叫机载激光雷达，是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，通过量测地面物体的三维坐标，生成LIDAR数据影像。LIDAR数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面模型DEM、等高线图及正射摄影像图。 机载激光雷达技术的商业化应用，使航测制图如生成DEM、等高线和地物要素的自动提取更加便捷，其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。 LIDAR系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据，通过特定方程解算处理成适当的影像值，生成LIDAR数据影像和地面高程模型DEM。系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配。在不同的实地条件下，平面精度可以达到0.15 至1米，高程精度可达到10厘米。LIDAR系统是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的，其独特性在于能快速为数字制图和GIS应用提供精确的地面模型数据。LIDAR系统是一种活动装置，由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响，从而大大提高了数据采集的质量。其高程数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具优越性。LIDAR系统应用多光束返回采集高程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，可提供理想的数字高程模型DEM，大大提高了正射影像纠正精度。LIDAR数据的地理信息经软件处理，可以直接与其它类型要素或影像数据合并，生产内容更为丰富的各类专题地图。 机载激光雷达系统与数字航摄仪、机载GPS及惯性导航系统(INS)相结合，使用大容量高速计算机，经过专用软件处理，可在空中完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产，将大大提高航测成图的作业生产效率，减少生产环节，缩短生产周期，提高成图精度，提供更为丰富的地理信息。 LIDAR系统获取的激光脉冲点数据可大致分为以下类型：地表裸露点、树高端点、树中端点、桥面点、水域点、建筑物点、噪音点（即粗差点）及其它未分类点等。 地面高程模型数据DEM仅需要地表裸露点。由完整地块的地表裸露点三维数据构成地面高程模型DEM。在实践中，我们应用LIDAR软件自动处理掉地表上绝大部分的多余激光脉冲点数据，来获取裸露点三维数据信息，构建三角网TIN图形。LIDAR软件根据脉冲点的高程值分成八个高差段并赋于不同颜色值渲染成三角网，由此生成的LIDAR影像具有非常明显的彩色三维立体效果。再利用程序予处理识别非地表裸露点，如大部分树高端点、树中端点、建筑物点、桥面点等，经人工剔除并归类。经过数据处理后所有剩下的LIDAR数据都是地面点数据，既可生成高精度的DEM和地形图等高线，并可以进一步制作成正摄影像图。 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，数据处理更具特色。LIDAR系统技术的应用及实施LIDAR技术在国民经济建设中如农业、水利电力设计、公路铁路设计、国土资源调查、交通旅游与气象环境调查、城市规划等各大领域中可以得到广泛应