激光雷达和高光谱对地探测技术

激光回波信息，就可以不需要被动光电成像，直接以激光雷达回波强度数据获得地面
数字扫描激光影像（目标表面特性），结合地面高程信息可进一步生成地面的实时三 维立体影像。 激光扫描强度数据还具备进行：城市大气环境和大气污染、海洋、湖泊和河流的 水深、水下地形、水体泥沙含量等信息的潜在探测能力。 机载激光扫描探测不受日照和天气条件限制，能全天候地对地观测，又可以同 其他技术手段集成使用，在灾害监测、大气和水体环境污染监测、水深和水下地形探 测、资源勘察、森林调查、测绘和军事等方面的应用具有独特的优势，有着其它对地 探测系统不可替代的优势。
研究内容：
激光与地面，水体和大气的相互作用（吸收、透过、反射、散射（拉曼 、瑞利））及其在高（超光谱）光谱的遥感响应研究； 空、天基激光雷达和高光谱对地成像大气修正和大气环境参数精确探测 的原理方法研究； 空、天基激光雷达和高光谱对地成像的地形改正和地面（水面）的三维 数字重建与立体（地面和水面）成像精确探测的原理方法研究； 空、天基激光雷达水底成像的水体修正和水体环境参数精确探测的原理 方法研究； 空、天基激光雷达水底成像的水底地形三维数字重建和水底地形改正与 水底立体探测的原理方法研究。
大气探测的机 制机理和原理 方法研究与大 气探测
地面探测的机 制机理和原理 方法研究与地 面探测
水面探测的机 制机理和原理 方法研究与大 气探测
水体探测的机 制机理和原理 方法研究与大 气探测
水底探测的机 制机理和原理 方法研究与水 底探测
实验区的大气、地面、水面、水底激光雷达和高（超）光谱对地探测实测验证 激光雷达和高（超）光谱对地综合立体探测系统集成 上海大学遥感与空间信息科学研究中心
通过控制扫描仪棱镜的双轴伺服系统 进行补偿。 根据导航系统建立参考点
可选：美国Applanix 510或欧洲IMU
定位系统 扫描仪模式 水中数据密度 地形数据密度 水中测量精度 海底目标 深度范围 最小深度 地形精度 系统重量 数据存储 机器人界面
按照测量精度要求优化设定 水中数据与陆地数据无缝连接 取决于测量参数 （按照测量精度要求进行优化设置） 同上 可达70米 水中数据与陆地数据无缝结合
三、激光雷达和高光谱对地探测系统
特点与关系：
全色波段 多光谱 高光谱 超光谱 激光
激光雷达： 主动遥感技术 测距功能 成像功能
高光谱： 被动遥感技术 成像功能
主动探测 被动遥感 形成互补
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三、激光雷达和高光谱对地探测系统
将激光雷达对大气、水体的透视及对地精确测距定位立体 成像探测能力和高光谱技术相结合，发展先进的空、天基对地 立体（天、地、水和水下一体化）成像综合定量探测系统。
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一、高光谱遥感技术
高光谱图像结构
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一、高光谱遥感技术
IKONOS
Landsat
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一、高光谱遥感技术
上海大学
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一、高光谱遥感技术
上海大学遥感与空间信息科学研究中心
一、高光谱遥感技术
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三、激光雷达和高光谱对地探测系统
研究流程图：
实验区激光和高光谱与大气地面(地面、水 面、水体)相互作用及其波谱响应研究；环 境参数和地面反射率的实测 激光雷达与高光谱对比探测的实验区实施 获取：地面（水面）和水底的激光、高光 谱遥感图像和激光测距数据
激光雷达与高光谱的数字图像大气修正与地形改正研究： 1. 实验区地（水）面和水底：DEM和DTM以及地面反射率反演； 2. 实验区地（水）面和水底激光、高光谱图像大气修正与激光高光谱程辐射、光学厚度遥感图像的生成； 3. 实验区地面、水面激光和高光谱图像的地形改正与正射和立体图像生成； 4. 实验区水底激光（蓝绿）图像的水体修正和水体程辐射、水体光学厚度遥感图像的生成； 5. 实验区水底激光(蓝绿))图像地形改正与正射和立体图像生成。
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二、激光雷达对地探测技术
激光雷达应用：
激光雷达具 有大气和水体的 穿透能力及高精 度的测距与定位 能力，空（天） 基激光雷达可广 泛应用于陆地、 大气和水体的探 测。
大气探测
陆地探测
水体探测
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二、激光雷达对地探测技术
陆地探测激光雷达
包括配线 便携式硬盘
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二、激光雷达对地探测技术
激光雷达数据：
目前国外已有机载激光扫描成像系统可以每点提供包括：姿态、距离、反射率、 强度等多维信息。 （1）空间位置（姿态、距离），包括被探测目标的高程信息，由于获得了地面目
标每一像元的高程信息，因而可以直接用于构建地面目标的数字高程模型 （2）影像（反射率、强度），如果激光雷达的地面采样点充分密集并且同时获取
飞行偏差补偿 弥补
横向滚动 ±5 degrees 前后倾斜 ±7 degrees 航线偏离 ±20 degrees 速度±10%，高度±10%，侧滑±5%
Applanix 410 均匀覆盖测量区域（除了航带限制） 可设置为0.5-3米 一般1.5 ×1.5米 8点/平方米 平面位置：X/Y=±2.5米 高程： Z=±0.25米 达到或高于国际航道测量组织1级标准 一般 secchi深度的3倍 0米 水平位置X/Y=±0.5米，高程Z=±0.15米 <180公斤 > 4 hours 实时显示覆盖区域，深度，高度
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三、激光雷达和高光谱对地探测系统
研究目标： 将激光雷达和高光谱技术相结合（主动和被动相结合），充分 利用激光雷达对地成像探测的大气、水体穿透能力和高精度测距 和空间定位的优势，通过消除非均匀大气、非均匀水体影响，获 得：大气（水体）光学厚度（程辐射）遥感数字图像，进行大气 和水体的探测原理方法研究；通过地形改正，获得地面和水面的 激光雷达和高光谱图像以及水底激光雷达正射图像（强调目标波 谱特性和平面几何形状），进行地面和水面以及水底探测的原理 方法研究；通过三维数字重建，获得地面、水面和水底的数字地 形图、数字地面模型（强调目标立体几何形状）和对应数字立体 图像（强调目标波谱特性和空间三维几何形状结合），进行地面 、水面和水底的环境参数的遥感反演和模式识别研究。
三、激光雷达和高光谱对地探测系统
研究的逻辑框图 ：
传感器辐射定标 地面大气观测网点地基激光对空探测，地面光谱反射率实测与反演 机载双频激光雷达和高（超）光谱对地（实验区）遥感试验 激光雷达和高（超）光谱图像的大气程辐射值计算及其图像生成
光谱大气透过率（大气光学厚度）的计算及其图像生成
基于大气程辐射和光学厚度的大气探测 利用地基数据进行大气探测精度验证 机载激光和高（超）光谱影像的广义大气修正（大气透过率、大气程辐射）
激光雷达与高光谱遥 感对地立体探测研究
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主要内容
一、高光谱遥感技术 二、激光雷达对地探测技术
三、激光雷达和高光谱对地探测系统
四、展望
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一、高光谱遥感技术
高光谱成像技术
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一、高光谱遥感技术
高光谱遥感的三个空间层次
激光雷达与声纳探 测数据的整合
水底地形激光成像的水下 传输修正 水底 DEM 建立及水下地形影响 改正与正射影像生成
水底激光影像的数字正射影像和 三维数字成像与水底探测 激光雷达和高（超）光谱对地综合立体探测系统集成
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三、激光雷达和高光谱对地探测系统
关键问题： ① 激光、高光谱与大气、地面（水面）、水体和水底的相互作 用(吸收、透过、反射、散射（拉曼、瑞利）)及其在高（超）光 谱的遥感响应是空、天基激光雷达和高光谱对目标物质结构和成 分探测及其参数反演的理论基础是本项目拟解决的关键科学问题 之一。 ② 利用空、天基激光雷达和高光谱对地（地面、水面和水底） 成像立体探测资料，进行基于目标波谱特性和目标几何形状以及 二者相结合的三种对地遥感探测基本模式原理方法。也是本项目 拟解决的关键科学问题之一。
红光波段 蓝绿光波段
激光雷达数据的陆地 DEM、立体影像生成 陆地地形改正与正射 影像生成 基于地面立体影像和 正射影像的地面探测
Leabharlann Baidu
水面DEM生成 水面“地形”改正与 正射影像生成和三维 影像重建 基于水面正射和三维 影像的水面信息提取
水体程辐射值计算及其 图像生成 水体光谱透过率（激光光学厚 度）的计算及其图像生成 水体探测（叶绿素、泥 沙含量反演）
激光雷达获得的DSM
三维重建的城市
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二、激光雷达对地探测技术
水底地形探测
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二、激光雷达对地探测技术
地面景观的三维数字重建
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二、激光雷达对地探测技术
地面景观的三维数字重建
上海大学遥感与空间信息科学研究中心
上海市ETM假彩色合成图像
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二、激光雷达对地探测技术
代表最新空间技术、激光测距技术、 计算机技术、高精度动态载体姿态测量技
术和高精度动态差分定位技术发展和集成
水平的激光扫描探测系统是获取地球表面 信息，探测、研究地球、火星、月球等行 星真实形态的具有革命性意义的技术手段 。将激光扫描仪与数码相机、GPS结合， 快速、精确、低成本地获取现实世界的信 息（空间定位信息＋数码影像），二者共 同构成完整地球表面信息综合探测系统。
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三、激光雷达和高光谱对地探测系统
关键技术：
① 激光雷达和高光谱数字影像的广义大气修正和地形辐射改正
经过大气修正和地形校正处理的激光雷达和高光谱数字影像可视为各点 在地面激光、太阳光照度相同，大气、地形状况一致的最佳成像条件下 得到的激光雷达和高光谱数字图像——真正的正射影像。
② 大气光学厚度与程辐射图像的生成
经非均匀大气修正的激光雷达数字图像增强了对地，特别是对水体浑浊 度、叶绿素、泥沙和悬浮物等的探测能力。还可进一步利用非均匀大气 修正的中间成果对激光雷达和高光谱遥感数字影像进行弱信息的挖掘和 提取，生成大气光学厚度、大气程辐射等遥感数字图像。
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二、激光雷达对地探测技术
一种典型的机载激光测深仪——SHOALS性能参数
上海大学遥感与空间信息科学研究中心
鹰眼II机载激光雷达系统
上海大学遥感与空间信息科学研究中心
鹰眼II系统技术参数
功能 深水探测 陆地测量 数码相机 高度 航向扫描宽度 性能 4000点/秒 64000点/秒 1600*1200像素 ，每秒一个影像 200-450米 （0.6×高度）米 注释 水陆同步测量 水陆同步测量 可选：10MPixel相机 按照测量精度要求优化设定 根据测量的最好效果设定（同上）
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二、激光雷达对地探测技术
20世纪60年代，人类就开始了利用激光作为遥感设备的探索。由于机 载激光雷达具有穿透大气和水体、精确测距定位的能力，能够直接获取真 实地面的高精度三维地形信息，因而引起了测绘界的浓厚兴趣。 20世纪70年代的美国阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。 20世纪80年代末，以机载激光雷达测高技术为代表的空间对地观测技 术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，激光雷达探测 得到了迅速发展。美国NASA成功研制了大气海洋LIDAR系统(AOL)和机载地 形测量设备(ATM)等机载系统。 20世纪90年代，欧美等发达国家先后研制出多种机载激光雷达测高系 统,如TopScan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、Hawk2Eye 等。 目前国际上机载激光雷达探测系统（硬件）已具备对地综合探测能力 ，并已出现一些商用系统，成功地进行了火星、月球和地球形状的探测。 美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统 ，使用了机载激光测距设备、全球定位系统(GPS)、陀螺稳定平台等设备， 飞行高度500－600m，直接进行测距与定位，最终得到浅海地形(或DEM)。