LiDAR数据处理的教案

LiDAR数据处理的教案第1页/共73页第一章、LiDAR系统概述LiDAR系统及其发展激光雷达数据的优点与不足LiDAR技术与3S技术点云处理相关软件平台点云库介绍第2页/共73页从空中和太空观测地球获取影像是20世纪的重大成果之一，短短几十年，遥感数据获取手段迅猛发展。在信息时代，测绘已发展成为地球空间信息学。地球空间信息学所获取和处理的是随时间和空间分布和变化的信息，摄影测量与遥感是获取这种信息的主要手段。如今，继承了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术等先进技术的机载激光雷达技术，其综合性价比要强于传统的遥感数据获取技术，具有一定的技术优势，正日益成为遥感数据采集技术的一种重要方式。第一章、LiDAR系统概述第3页/共73页LiDAR系统及其发展LiDAR是LightDetectionandRanging的英文缩写，称为激光雷达，是激光扫描与探测系统的简称.激光雷达是用激光器作为辐射源的雷达。是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。第4页/共73页激光雷达的产生20世纪，人类发明了雷达之后，雷达及其成像技术得到了迅速的发展和广泛的应用。但随着应用的深入，雷达的缺点也越来越引起人们的注意。其主要表现在：波长较长，相应能量子的能量很小；一般不足以与目标发生生化作用，无法探测目标的生化特性；在传播过程中，遇到尺寸小于波长的物体时，更易于发生衍射；因此，为探索更短波长的辐射源，在微波振荡器的基础上发明了激光器，将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达技术第5页/共73页激光原理物质与光相互作用：爱因斯坦在解释普朗克黑体辐射公式时指出，只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射的概念”——激光的基础微观粒子都具有特定的一套能级，任一时刻，粒子只能处在与某一能级相对应的状态。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为这两个能级的能量差ΔE=E2—E1，频率为v=(E2-E1）/h第6页/共73页激光原理受激吸收处于较低能量级的粒子在收到外界的激发吸收了能量时，跃迁到较高能级。第7页/共73页激光原理自发辐射粒子受到激发进入高能级，并不稳定，自发从高能级E2向低能级E1跃迁。第8页/共73页激光原理受激辐射当频率为v=(E2-E1)/h的光子入射时，引发处于高能级E2上的粒子以一定概率迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态及传播方向都相同的光子。第9页/共73页激光雷达技术的发展1960年，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器。第10页/共73页激光雷达技术的发展1969年，美国的阿波罗11号飞船的宇航员们就已经在月球的静海中安置反射镜阵列，当来自地球的激光脉冲被反射后就准确地测试出了地球与月球之间的距离第11页/共73页激光雷达技术的发展20世纪80年代，以美国和德国为首的发达国家开始积极开展机载激光雷达技术的可行性研究，其标志性成果为1990年德国Ackermann教授领衔研制的在Stuttgart大学诞生的世界上第一个激光断面测量系统。1973年到1994年间，美国国防部成功地建立起了全球定位系统GPS。通过4颗以上的GPS卫星就可以准确地测定地物的三维坐标。1988年，德国斯图加特大学的Ackermann教授进行了机载动态GPS的测量试验，以少量的地面控制点成功实现了GPS空中三角测量。在同一年里，Ackermann教授又展示了利用机载激光测量技术测绘森林地区地形的潜在用途。第12页/共73页激光雷达技术的发展1989年至1993之间，斯图加特大学两位博士生将GPS接收机、惯性测量系统IMU以及激光扫描仪集成在一起，利用GPS获取扫描仪中心的位置坐标和IMU测定扫描仪的三个姿态角的功能，完成了一系列的测量试验，当时的系统就成为了现代LiDAR系统的雏形。1993年，德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan。目前，生产激光雷达系统的公司主要有Leica、Optech、TopoSys、Riegl、IGI、TopEye、TopScan等。第13页/共73页我国激光雷达的发展状况硬件方面：北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光测距—成像系统于1996年完成了原理样机的研制，但该系统距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。我国的中科院光电研究院也已经在研制机载激光雷达系统，目前研制进展比较顺利。算法方面：张小红提出了一种“移动曲面拟合算法”（2004）赖旭东提出了一种针对激光雷达强度图像的融合中值滤波算法（2005）广西桂能信息工程有限公司推出了国内第一套激光数据分类软件LSC（LiDARStudioClassfication）第14页/共73页第15页/共73页国内购买的激光雷达测量系统单位型号时间广西桂能信息工程有限公司IGILiteMapper56002005.12北京星天地信息科技有限公司OptechALM31002004.05北京星球数码科技公司LeicaALS402004.12太原航空摄影通用公司LeicaALS502005.02山西亚太数字遥感新技术公司IGILiteMapper28002005.01国家海洋局海监总队LeicaALS503台2005.03武大吉奥公司LeicaALS50II2007成都勘测设计研究院OptechALTM31002008天京市星际空间地理信息工程有限公司OptechALTMGemini2008广州建通测绘技术开发有限公司ToposysFALCONII2008第16页/共73页激光测距技术第17页/共73页激光测距原理激光测距可分为脉冲激光测距和连续波相位测距两种第18页/共73页脉冲激光测距脉冲激光测距测量光脉冲在待测距离上往返传播的时间间隔第19页/共73页脉冲激光测距仪第20页/共73页连续波相位测距连续波相位测距测量光束上调制信号在待测距离上往返传播时所发生的相位变化，间接测量时间间隔，得到目标距离。相位法的相对误差仅有百万分之一，在几千米的距离上误差只有几毫米。第21页/共73页连续波相位测距连续波相位测距原理图：图中，T为连续波一个周期的时间，φ为发射信号和接收信号之间的相位差则有：所测距离为：第22页/共73页连续波相位测距由于代入②式，可得：式中，λ为波长。对上式求微分，可得：式中，λshort为连续波中最短波长。可见，相位法测距的距离分辨率取决于连续波中最短波长。第23页/共73页连续波相位测距又由于代入②式，可得：则：这表明实际测距信号的频率决定了测距的灵敏度第24页/共73页连续波相位测距在实际测量中，由于连续波是周期性的，记录下的相位差只是在一个周期（2π）内的变化，而实际上的时间还应该包括整周期的时间，因此t应该为：式中，n为激光从发射到接受所走过的距离中的整周数。由于激光的波长很小，因此n是一个很大的数值。为了得到正确的测距值，就必须得到精确的n值。第25页/共73页连续波相位测距相位法测距也存在最大测距的问题，由于相位差的最大测量值为2π，代入③式，可得：式中，λlong为连续波中最长波长。需要注意的是：由于整周期数n的获得不取决于④式，如果能够得到精确的n值，Rmax是可以突破λlong的限制的第26页/共73页三角法测距一种利用三角法测距激光测距系统的原理图第27页/共73页三角法测距第28页/共73页测距误差脉冲激光测距仪的误差：系统误差：计数器频率误差大气折射误差电光延迟误差随机误差噪声引起的误差计数频率不稳定引起的距离误差启动与停止脉冲触发前沿不同引起的漂移误差第29页/共73页测距误差连续波激光测距仪的误差固定误差（与距离无关的误差）数字测相误差幅相误差照准误差比例误差（与距离有关的误差）真空光速误差大气折射率误差测尺频率误差第30页/共73页激光测距技术应用激光测距技术广泛应用于生产生活和军事等各种用途上。第31页/共73页LiDAR系统分类按工作平台分固定平台：可以附属于建筑物的棚架或者圆顶建筑内部，也有在雷达站安装的移动平台：可分为星载，机载和车载等LiDAR系统地面LiDAR系统静态地面LiDAR系统（基于脚架）动态地面LiDAR系统（基于汽车、船舶等移动平台）机载LiDAR系统地形LiDAR系统海道测量LiDAR系统第32页/共73页LiDAR系统分类第33页/共73页星载激光雷达第34页/共73页星载激光雷达第35页/共73页对地观测第36页/共73页移动测量平台激光雷达武汉大学移动式激光雷达第37页/共73页LiDAR系统分类按使用目的分类探测环境状态测量距离大气：气溶胶分布、云、气象因素、污染物质…水体：浮游生物、水温、海洋污染…陆地：植物生长、热岛效应、污染情况…太空：星球间距离、星球地形…海洋：水体深度、水下地形…陆地：地形图、数字高程模型、植被提取…第38页/共73页大气探测激光雷达探测气溶胶和云第39页/共73页探测海洋水下资源第40页/共73页机载海洋测绘激光雷达澳大利亚,LADS&LADSMkII.第41页/共73页机载海洋测绘激光雷达美国SHOALS左图为纠正后的正射影像图，右图为SHOALSLIDAR数据。左图在右图两个星期之前拍摄。海岸形态和海草探测在SHOALS数据中可以辨别第42页/共73页机载海洋测绘激光雷达瑞典，HawkEye1和2第43页/共73页LiDAR系统分类按激光和物质相互作用分类相互作用检测对象举例反射比激光波长尺寸大很多的物质地形测绘米氏散射微粒直径与激光波长相等的物质气溶胶瑞利散射微粒直径比激光波长小很多的物质空气分子拉曼散射具有振动和旋转能力的分子空气分子、水蒸气、SO2等污染物质荧光法具有共振能级的分子和原子NO2等污染物质第44页/共73页机载LiDAR系统第45页/共73页机载LiDAR系统第46页/共73页机载LiDAR系统第47页/共73页机载LiDAR系统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0.1～0.5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1～10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第48页/共73页机载LiDAR系统特点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系统后处理技术强大可以把地面和其上的植被、建筑物分离开来,可同时取得DTM、DSM和植被参数低成本无需大量的地面控制工作非接触性解决了危险领域的测量，柔性目标的测量，需要保护对象的测量，人员不可到达位置的测量等可以获得多种成果DSM、DTM、DEM、NIR、DOM、DLG、专题图、三维模型等第49页/共73页机载LiDAR测量vs摄影测量航空摄影测量机载激光雷达测量设备费用相对较低相对较高生产费用高大范围作业低生产方式以立体像对生产以激光扫描仪扫描直接获取成果仅有DSM，若需要DEM，则需要人工处理利用激光雷达的多次回波特性和后处理软件的使用可以获得DSM和DEM自动化程度低，需要大量的内业处理高航高限制不受航高限制一般300~5000米作业周期长短技术很成熟数据后处理技术相对落后第50页/共73页机载LiDAR测量vs摄影测量与摄影测量技术相比较，机载LiDAR测量技术具有以下不足硬件设备昂贵LiDAR系统整合了IMU、GPS、成像装置和激光扫描仪等设备飞行限制条件LiDAR测量系统可以在白天或夜晚等各种气象条件下飞行，但通常仅有激光数据是不够的，还需要同步获取数码影像数据地形特征描述欠缺激光雷达测量系统采集的激光点有一定的间距数据的后期处理相对滞后目前可以用于LiDAR数据处理的软件还不多，算法还不成熟第51页/共73页机载LiDAR系统扫描机制MechanismGroundPatternSawtoothMostcommonpattern(Leica,Optech)Figuremodifiedfrom:Nikolaos2006第52页/共73页LiDAR数据特性的决定因素扫描系统（与波束图型相关）飞行高度脉冲频率扫描频率扫描角度第53页/共73页LiDARDEM&CanopyModelsIFSARIFSAR10mUSGSDEMStreamsLandslideLiDARLiDAR数据第54页/共73页StreamsLandslideLiDAR数据第55页/共73页LiDAR通过阔叶树（A）和针叶树（B）包括裸地的回波数据。绿色的点代表leaf-on回波数据，棕色的点代表leaf-off回波数据。（A）（B）LiDAR数据第56页/共73页LiDAR数据缺点海量数据缺少光谱信息航带覆盖面积较小第57页/共73页LiDAR应用瓶颈制约LiDAR应用发展的两大瓶颈问题实施项目时需要昂贵的硬件设备，这一项随着硬件技术的发展已经得到很好的解决。LiDAR点云数据中信息的分类提取，即点云数据的分类工作。第58页/共73页LiDAR应用数字高程模型(DEM)的应用林学方面的应用海岸工程方面的应用水利项目的应用走廊地区和公路测量应用城市建模方面的应用电力输送方面的应用救灾和损失评估方面的应用冰川监测方面的应用第59页/共73页数字高程模型(DEM)的应用DEM建立是LiDAR系统最基础、最原始的功能。和传统测绘方法相比，LiDAR具有的优势：能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势LiDAR直接获取的是点的三维坐标，无需对DEM数据进行正射校正第60页/共73页林学方面的应用LiDAR在林学领域上的应用是最先开发应用的商业领域。机载激光雷达传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，同时测定地表和树高的信息，以及平均树冠面积，林木密度等信息。此外还可以根据激光回波的反射强度，对森林树种进行分类，从而进行大范围、多数种森林的普查以及森林生态系统树蓬垂直结构建模等。利用机载激光雷达数据提取森林DEM和推求植被参数是当今的研究热点之一。第61页/共73页海岸工程方面的应用由于蓝绿激光较易直接穿透海水而红外激光不易穿透海水，获取红外激光的陆地信息以及蓝绿激光的海底信息。针对海岸地区高度变化的动力环境，实现对岸线数据的实时更新。在经济实效地完成常规的测量任务的基础上，精确地绘制并监测海滨、沙丘、防波堤和海岸植被，监测海岸线的变化，实现陆海一体化的综合测绘。第62页/共73页水利项目的应用LiDAR技术对于河流监控与治理有着极其重要的意义。LiDAR数据构成的三角网高程值可以用某一颜色赋值渲染，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。第63页/共73页走廊地区和公路测