激光原理考试复习资料

1.激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。

刺激、激发，散发、发射，辐射2.激光特性：（1）方向性好（2）亮度高（3）单色性好（4）相干性好：3.激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。

工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。

4.激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。

软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。

软目标的回波机制：（1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。

Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。

因此是一种弹性散射。

（2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。

（3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。

而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。

（4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。

（5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。

硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。

当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。

硬目标对激光能量的反射机制最为重要。

硬目标回波机制包括：镜面反射、漫反射，方向反射1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。

另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起点的空间坐标，则该向量的另一端点的坐标可唯一确定3.机载激光雷达测量作业生产流程：主要包括航摄准备、航摄数据采集、数据预处理、数据后处理等环节。

4.机载LiDAR技术相关术语：点云：LiDAR 获取的是离散的三维坐标数据，数量多在空间分布毫无规律，人们形象称之为点云。

瞬时视场角：机载LiDAR系统通过发射和接收激光脉冲的信号实现测距，每束激光脉冲与发射器法线方向都不一致，因而视场角大小不同；瞬时视场角指的是每次激光脉冲的视场角。

多次回波：同一激光脉冲可以有多次反射信号。

脉冲频率：激光脉冲的频率(每秒出现的次数)扫描频率：以线扫描系统为例，指扫描镜从一端旋转到另一端所用时间的倒数。

激光脚点：单个激光脉冲在地面的反射区域。

滤波分类（Classification）：对点云数据中不同类型的点的属性按一定的规则进行划分，形成不同的点集（如地面点集、建筑物点集、植被点集等）裸地或地表：指的是在滤波分类基础上形成的地面点集合。

最小飞行高度：飞行位置相对基准面的最短距离，它的大小取决于飞行平台的类型、探测区域的地形、激光对人眼的安全距离和飞行的安全距离等扫描带宽：系统扫描时形成的带状扫描区域的宽度旁向激光脚点间距：在同一扫描线中，垂直于航线方向的激光脚点之间的距离。

航向激光脚点间距：相邻扫描线中，平行于航线方向的激光脚点的中心距离。

5.机载LiDAR数据组成及数据格式：组成：包含了激光测距数据、GPS数据、INS数据、同步时间数据、多波段传感器的数据等。

这其中有些是过程数据，例如：INS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。

根据目前的硬件情况，机载LiDAR系统提供的基本信息是三维点云数据和强度信息数据，依据具体搭载和配置的传感器的不同，很多机载激光雷达设备还能够提供全波形数据、中等幅面的数码影像数据，甚至还有多光谱数据等。

数据格式：目前国际上常用的LiDAR数据存储格式包括ASCII文本、栅格以及自定义二进制格式及LAS格式等。

6.机载LiDAR数据特点：1.激光雷达数据是不连续的。

2.激光雷达获得的数据不仅是一次回波而是多次回波3.强度数据：机载LiDAR系统除了能获得多重回波数据之外，还能同时获得回波信号的强度。

4.激光脚点密度不均匀。

5.海量数据6.航带覆盖面积较小7.获取同名点困难8.存在数据盲区或者数据空洞区域9.缺少光谱信息7.机载LiDAR技术与航空摄影测量技术的比较：1.获取数据的机理和采集到原始数据不同：1）航空摄影测量依据透视几何的原理成像，获得的数据是航空像片或数码影像。

2）机载LiDAR技术依据的是极坐标几何定位原理，其获得的原始数据是离散点的三维坐标2.硬件方面差别：激光雷达系统能耗大，操作复杂，可靠性差，系统成本高机载，扫描器寿命短。

摄影测量系统操作容易，简便，可靠性高，系统成本便宜。

3.精度的差别：机载LiDAR同摄影测量相比，所受的误差影响和因素更多，推导误差的传播模型更为复杂。

4.产品质量的差别：与光学影像相比，机载LiDAR能够穿透植被冠层而到达地表，一般认为机载LiDAR是比较理想的获取森林地区DEM的数据源。

5.生产周期的差别：机载激光雷达系统直接获取距离观测值，其生产DEM要比摄影测量快的多。

6.生产成本的差别：除去硬件成本，仅就获取DEM和三维模型而言，机载LiDAR的成本要远低于航空摄影测量。

8.机载LiDAR系统误差源分析：1.量测误差，主要包括激光测距误差、GPS定位误差、IMU姿态误差；2.集成误差，即系统各部件观测值集成过程中的系统集成误差，包括硬件安置误差和数据处理误差。

1.激光测距误差：激光测距的误约为2~3cm，2、DGPS定位误差：GPS定位误差（主要误差源）为5cm左右，3、姿态量测误差：目前，在国内民用INS 系统的精度水平为：航偏、侧滚和俯仰°，采用GPS/INS 组合的精度水平为°；国外先进的GPS/INS组合的精度水平为：航偏°、侧滚和俯仰°。

4、扫描角误差：固定的5、偏心距误差主要是GPS接收机天线中心到激光束在扫描镜上发射点的距离的量测误差。

6、安置角误差：安装后IMU 各轴指向与激光扫描仪的各轴指向间有一个微小的角度差，安置角误差通常度度.1地面三维激光扫描系统构成：激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时集成CCD 和仪器内部控制和校正系统。

摄像机主要用于目标对象影像信息的数据采集，其获取的彩色图像中，包含了目标对象的真彩色纹理，当使用计算机系统对目标对象进行三维可视化的展示时需要用到此类信息。

2.仪器内部控制与校正系统不仅可以控制仪器内部各系统的联合工作并且还可以进行有效校正。

3.激光测距系统采用非接触方式，利用激光束从发射到接收的时间差或者相位差来精确、高速地测量扫描点与扫描仪的距离。

2.地面三维激光扫描系统定位原理：激光测距系统采用非接触方式，利用激光束从发射到接收的时间差或者相位差来精确、高速地测量扫描点与扫描仪的距离。

激光扫描系统通过匀速旋转的反射镜引导激光束以等角速度的方式发射，并测量激光束的水平方向与竖直方向的角度。

两系统相结合，即可计算出每一个扫描点的空间三维坐标。

原始数据：1.地面激光扫描仪的观测数据为与目标对象表面对应的密集三维离散点，一般情况下将其称为点云数据。

2.两个连续转动的、用来反射脉冲激光的反射镜的角度值，即横向扫描角度观测值a和纵向扫描角度观测值θ；通过脉冲激光传播的时间(或相位差)计算得到的仪器到扫描点的距离值S；该两项数据用来计算扫描点的3维坐标值。

3.扫描点的反射强度，用来给反射点匹配灰度信息。

4.三维激光扫描仪的点云误差分析：测量误差可分为系统误差和偶然误差。

系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差，可通过公式改正或修正系统予以消除或减小。

测量系统的偶然性误差则是随机产生的。

三维激光扫描误差可分为点云的定位误差（仪器相关误差、目标相关误差、环境相关误差）和点云配准误差。

1.激光的测距误差：激光测距误差综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器检定确定测距误差的大小。

2.仪器的测角误差：扫描角的影响包括横向扫描角度和竖向扫描角度测量的影响。

测角误差包括视准轴误差、水平角误差和垂直角误差3.目标颜色引起的误差：作为一种特殊的电磁波，激光照射到不同目标表面，其被反射和吸收的程度也不一样，激光接收单元在单位时间内接收到的激光能量的差异发生变化，造成测量结果的差异。

一般而言，亮色的表面比暗色的表面测量精度高。

4.外界环境条件引起的误差：外界环境条件主要为温度、气压等的变化。

温度得变化对精密仪器产生细微的影响、扫描时风的作用、激光在空气中传播的折射效应等。

恶劣的外界环境也会使三维激光扫描仪产生较大的误差。

5.三维激光扫描工作流程：地面三维激光测量技术工作流程大致分为准备工作、外业数据采集和内业数据处理三部分。

在具体工作开展之前需要制定详细的工作计划并做好准备工作，主要包括根据扫描对象的不同和精度的具体要求设计一条合理的扫描路线、确定采样密度、仪器至扫描物体的距离、设站数等；外业工作主要是数据采集；内业数据处理是最重要也是工作量最大的环节，主要包括点云着色、点云去噪、滤波、数据压缩、图像处理、地物建模、特征提取、纹理映射等。

6.数据处理：1.点云数据的去噪：。

曲率法采用点与相邻点之间的矢量夹角判断。

弦高法采用点到相邻点连线的距离判断。

距离值法采用点到利用相邻点拟台的直线段或平面之间的距离进行判断。

2.点云数据的平滑：平滑算法主要有平均值法、投影法、高斯算法等。

3.点云数据的漏洞修复：当空洞出现在平面区域内，比如窗户或者墙面上的洞，可采用线性插值的方法填补空洞数据;当空洞出现在非平面区域，如圆柱上出现的漏洞，可采取二次曲面插值方法。

4.不同站点扫描数据的配准：距离影像的配准就是将所有具有独立坐标的距离影像转换到某一个共同的基准坐标系下构成完整的空间对象的过程。

5.数据处理-点云数据的精简：数据精简主要包括数据去冗和数据简化。

6.点云数据分割。

7.点云数据拟合。

8.模型重建：点云数据的模型重建也可以分为三种方法：三维点云模型、三维点云数据表面的模型重建和几何模型重建9.模型的渲染。