激光雷达遥感4-

主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较LiDAR数据组成机载激光雷达系统是一个复杂的系统，包含激

光测距仪、角度编码器、GPS、IMU等子系统。每个子系统都采集有相应的数据，包括：GPS数

据、IMU数据、同步时间数据、多波段传感器的数

据等等。有些是过程数据，例如：IMU数据、GPS数据等；

有些是结果数据，如：坐标数据、高程数据、回波强度数据等。检校数据（系统参数、安置参数等）主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较LiDAR数据格式

LDEFS格式

栅格格式

自定义文本格式LDEFS格式美国摄影测量与遥感协会（ASPRS，American

Society

of

Photogrammetry

and

Remote

Sensing

）提出Lidar

Data

Exchange

Format

Standard

（LDEFS）

1.0标准，后缀为las

2003.05.09

LAS1.02005.05.07

LAS1.1

2007.05.01

LAS2.0

（拟定版）

2008.09.02

LAS1.22010.10.24

LAS1.32011.11.14

LAS1.4/divisions-committees/lidar-division/laser-las-file-format-exchange-activitiesVARIABLE

LENGTHRECORDSPUBLIC

HEADER

BLOCKPOINT

DATAASPRS

LiDARLas1.0格式

公共数据块(Public

Header

Block)

变长数据记录(Variable

length

Records)

点数据块(Point

data)公共数据块(Public

Header

Block)公共数据块的大小是227

bytes，记录了关

于该文件的一些基本信息，如：文件标识、飞

行时间、回波个数、坐标范围等等，详细描述

了关于las数据采集的信息

。ItemFormatSizeRequiredFile

SignatureChar[4]4

bytes*ReservedUnsigned

long4

bytesGUID

data

1Unsigned

long4

bytesGUID

data

2Unsigned

short2

bytesGUID

data

3Unsigned

short2

bytesGUID

data

4Unsigned

char[8]8

bytes公共数据块(Public

Header

Block)Version

MajorUnsigned

char1

bytes*Version

MinorUnsigned

char1

bytes*System

IdentifierChar[32]32

bytes*GeneratingSoftwareChar[32]32

bytes*Flight

Data

JulianUnsigned

short2

bytesYearUnsigned

short2

bytesHeader

SizeUnsigned

short2

bytes*Offset

to

dataUnsigned

long4

bytes*Number

of

variablelength

recordsUnsigned

long4

bytes*公共数据块(Public

Header

Block)Point

Data

Format

IDUnsigned

char1

bytes*Point

Data

Record

LengthUnsigned

short2

bytes*Number

of

point

recordsUnsigned

long4

bytes*Number

of

points

byreturnUnsigned

long[5]20

bytes*X

scale

factordouble8

bytes*Y

scale

factorDouble8

bytes*Z

scale

factorDouble8

bytes*X

offsetDouble8

bytes*Y

offsetDouble8

bytes*Z

offsetDouble8

bytes*X

coordinate

(

X

record

*

X

scale

)

X

offsetYcoordinate

(Yrecord

*

Yscale

)

YoffsetZ

coordinate

(

Z

record

*

Z

scale

)

Z

offsetX

Y

Z

坐标值的计算公共数据块(Public

Header

Block)Max

XDouble8

bytes*Min

XDouble8

bytes*Max

YDouble8

bytes*Min

YDouble8

bytes*Max

ZDouble8

bytes*Min

ZDouble8

bytes*可变数据区(Variablelength

records)记录了数据描述以及所用坐标投影的一些信息ItemFormatSizeRequiredRecordSignature(0xAABB)Unsignedshort２

bytes*User

IDChar[16]16

bytes*Record

IDUnsignedshort2

bytes*Record

LengthAfter

HeaderUnsignedshort2

bytes*DescriptionChar[32]32

bytes激光脚点数据（POINT

DATA

）详细记录了该次回波的相关信息，如：坐标值，

本次回波强度，回波序号，该次脉冲的扫描方向，

分类编号等等

，共有两种记录格式，具体采用的

数据记录格式由头文件中的Point

Data

Format

ID确定Point

Data

Format

ID

的值为0

时ItemFormatSizeRequiredXlong4

bytes*Ylong4

bytes*Zlong4

bytes*Intensityunsigned

short2

bytesReturn

Number3bits3

bits*Number

of

Returns3bits3

bits*Scan

Direction

Flag1bit1

bit*Edge

of

Flight

Line1bit1

bit*Classificationunsigned

char1

byteScan

Angle

Rankchar1

byte*File

Markerunsigned

char1

byteUser

Bit

Fieldunsigned

short2

bytesPoint

Data

Format

ID

的值为1

时ItemFormatSizeRequiredXlong4

bytes*Ylong4

bytes*…………File

Markerunsigned

char1

byteUser

Bit

Fieldunsigned

short2

bytesGPS

Timedouble8

bytes*栅格格式的LiDAR数据一些公司采用了栅格文件格式作为Lidar的数

据格式。例如，采用ArcInfo

Grid

格式的数据作

为通用格式

。*.ASC格式头部信息：

ncols

行数nrows

列数

xllcenter

中心点x坐标

yllcenter

中心点y坐标

cellsize

采样间距

NODATA_value

-9999.000000（无效数据）

数据信息：记录具体的信息数据。自定义文本格式

LiDAR数据这种格式直接以文本的方式记录LiDAR数据，

每一行记录一束激光的回波数据，以不同的列记

录不同属性的数据，一般会在数据中加以说明。

*.TXT格式例如，ISPRS提供一种文本格式的数据，其格

式是这样的：首次回波的x，y，z，首次回波的回

波强度d

，末次回波的x，y，z，末次回波的回波

强度d。共计8列。主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较激光雷达点云数据及特点LiDAR激光脚点的分布是按照时间序列进行采样和存储

的，其在地面上的分布不是规则的，其空间分布呈现为离

散的数据“点云”（Points

Cloud

）激光雷达点云数据及特点主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较数码影像数据及其处理

机载LiDAR与影像配准

真正射影像生产

辅助LiDAR数据处理数码影像数据及其处理商用LiDAR系统都配装了数码相机，这些数码相机大多

为约2000万—4000万像素，像素大小为0.7

左右主要目的是为LiDAR点云数据提供辅助的光谱影像信息，

帮助获得纹理和分类的信息存在着光谱影像与激光点云的配准问题LiDAR系统中的数码相片经过解算后，得到与点云数据

一致的坐标。一般将影像结合点云（DSM）数据，制作真

正射影像（True

Ortho

Image）此外，在LiDAR数据处理中，数码相片信息可以作为辅

助数据，提供纹理信息，帮助进行数据处理，如：DEM精

化和分类等。机载LiDAR与影像配准

机载LiDAR——能直接获取地物的三维信息，高程精度较高

光学影像——平面精度高、光谱特征准确、纹理信息丰富

机载LiDAR+光学影像——提高解译的可靠性和量测精度机载LiDAR设备都配置有光学相机,但由于扫描平台存在的各

种误差,使得获取的影像方位元素与真实姿态有偏差，造成点

云数据与影像数据配准误差。因此需要修正影像的外方位元素,使得两种数据源精确配准机载LiDAR与影像配准

基于影像灰度值的配准。将激光点云内插成灰度图像(强度图像或距离图像)，然后在

灰度图像和数码影像之间进行配准。两种传感器得到图像的灰度值有较大差异，且不成线性关系。机载LiDAR与影像配准

基于点特征的方法。首先利用摄影测量的方法使用数码影像生成点云，再利用迭

代最邻近点配准算法((Iterative

Closest

Point

Algorithm，

ICP)实现配准。机载LiDAR与影像配准

基于线特征的方法首先利用摄影测量空中三角测量相对定向，将影像上的同名

直线转换到3D摄影测量辅助坐标系中，再利用转换方程使得该

直线与LiDAR点云中对应的空间直线重合，实现配准。机载LiDAR与影像配准

基于面特征的方法同基于线特征的方法一样，假设没有系统误差影响的前提下，

经过相对定向，获取影像上的同名面特征，转换到3D摄影测量

辅助坐标系中，再利用转换方程使得该面片与点云中的面片重

合。

基于其它特征的方法机载LiDAR与影像配准

基于结构线的LiDAR数据及航空影像自动配准方法“十二五”国家科技支撑计划–

研究LiDAR数据及航空影像中地物明显特征的自动提取

–

实现基于LiDAR特征集与航空影像特征集的自动配准2

2机载LiDAR与影像配准

基于结构线的LiDAR数据及航空影像自动配准方法

测试数据为天津某城区的机载LiDAR点云与航空影像。点云密度约7点/m

，覆盖范围约102500m

。配套的航空影

像地面分辨率为0.1m，像元大小为6.8um，图幅大小为

7212*5408像素。机载LiDAR与影像配准

总体技术框架影像增强基于Canny的边

缘检测基于卡尔曼滤波

的边缘追踪最小二乘直线

拟合结构线构造及

生成机载LiDAR与影像配准

机载LiDAR点云及航空影像的地物结构线提取LiDAR数据原始影像实验数据直线特征结构特征计算匹配矩阵最优匹配特征

组合变换模型参数匹配特征点集最小二乘迭代变换模型参数影像结构线相似性度量LiDAR结构线机载LiDAR与影像配准

LiDAR数据特征集与航空影像特征集的自动匹配

根据LiDAR结构特征，对应一系列三维地面坐标，将其投影至采样影像上，得到投影顶点特征；利用顶点特征，获得距该投影顶点一定阈值内所有顶点特征，作为影像特征点候选同名特征；采用直线段长度比、方向偏差作

为约束条件，得到一组最优匹配特

征。LiDAR特征点机载LiDAR数据与影像配准软件模块开

发

环

境

Microsoft

Visual

C++

6.0

，

运

行

系

统

环

境

为

Windows

操作系统。配准模块主界面以及单对数据匹配界面如下图所示。配准模块主界面单对数据匹配界面真正射影像生产真正射影像和正射影像的差别，体现在建筑物的纠正

上，由于DEM没有建筑物的高度信息，在纠正时只能按照

地面的高度进行纠正，造成了一定的偏差，采用具有建筑

物信息的DSM就不存在这个问题，能够得到正确的投影位

置。C1A11BCBA投影面地面（a）真正射影像原理未做纠正真正射影像原理（b）正射影像

使用DEM做纠正CB地面投影面AA1

B1C1真正射影像原理（c）真正射影像

使用DSM做纠正CB地面投影面AA1

B1C1构建TIN-DSM检测各三角面片在原始影像中的遮蔽区域相邻影像修补纹理仿真修复对LiDAR点云滤波，并对滤波得到的地面点精简真正射影像生产LiDAR点云数据与

影像数据自动或半自动方式

提取的带顺序建筑物角点准确的影像内、外

方位元素否是否是绝对遮蔽区域是真正射影像真正射影像生产构建TIN-DSMTIN-DSM左、右倾角视图真正射影像生产原始影像遮蔽检测结果主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较LiDAR技术发展趋势

硬件技术-型号细分Leica

ALS80-LiDAR技术发展趋势硬件技术多频率多波束LiDAR技术发展趋势

硬件技术-多激光器Riegl

LMS-Q1560LiDAR技术发展趋势

硬件技术-无人机重量：23kg重量：5.5kgLiDAR技术发展趋势

硬件技术-组件式多传感器集成方案总装后的激光雷达系统样机LiDAR技术发展趋势硬件技术-星机地一体化主要内容：

机载激光雷达数据组成

LiDAR数据格式

点云数据及特点

数码影像数据及其处理

LiDAR技术发展趋势

LiDAR技术与同类技术比较LiDAR技术与同类技术比较作为一种新型的遥感技术，同其它同类技术相

比，LiDAR技术有其优点，但是也有不足，并不能

取代其它技术。尤其是目前在基础测绘方面甚至还不能撼动

航空摄影测量技术的地位。与航空摄影测量技术比较(一)

相同点:（1）二者都是以航空飞行器为遥感平台，在平台上安装遥感

设备，对地面目标进行数据采集，通过对原始数据进行一系

列处理和分析，得到所需要的信息；（2）二者都能够得到DSM、DEM、DOM和DLG等基础测绘产品，

需要进行目标识别和分类，获取空间信息；（3）二者处理流程相似，都有粗差去除，地物目标识别，分

类，数据压缩，断裂线探测以及数据管理，产品分发等内容；

（4）二者都是目前测绘遥感获取基础测绘数据的重要方法，

都紧跟相关技术，通过与POS、通讯、数据压缩、信号分析、

图像处理、计算机视觉等相关专业的紧密结合而不断发展。。与航空摄影测量技术比较(二)航空摄影测量技术机载激光雷达技术被动式测量主动式测量透视几何原理极坐标几何定位原理框幅式，一次覆盖一定的区域逐点采样，提供高密度和

高精度的空间点数据间接获取地面三维坐标直接获取地面三维坐标能够获取高质量的影像数据提供质量较差的影像。提

供密集点云数据与航空摄影测量技术比较(三)航空摄影测量技术机载激光雷达技术比较成熟，能够在绝大多数航空

平台上安装有时需要对遥感平台进行改装有多种型号，适合不同安装空间

及任务需求型号较少，需要改装或定制才能满足有些

需求可靠性好，比较稳定故障率相对较高飞行计划相对简单飞行计划相对复杂受天气影响较大理论上能全天时、天候采集数据对操控人员要求不高操控人员需要经过较长时间培训，机上操

作相对复杂飞行中监控性差，容易出现漏飞

及偏离航线情况飞行中有监视器，可以掌握航线与设计参

数的偏离情况，及时纠正飞行高度范围广，可以从几十米

到6000米以上飞行高度范围窄，大约在500米以上，

4000米以下，与航空摄影测量技术比较(四)航空摄影测量技术机载激光雷达技术DSM生产需要进行