2.机载激光雷达测量系统

1、机载激光雷达测量系统组成
机载激光雷达的组成
机载激光雷达测量技术是激光 技术、计算机技术、高动态载体姿 态测定技术和高精度动态GPS差分 技术迅速发展的集中体现
• 激光测距技术已经发展到无合作目标的激 光测距系统 • GPS定位技术的出现彻底解决了海陆空的定 位问题 • INS和GPS的集成使确定高动态载体姿势成 为可能
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
LIDAR:AeroScan INSAR:Star-3i
飞行高度:8000英尺； 主要Hale Waihona Puke Baidu术 频率：1500HZ； 带宽：1.8km； 参数 4m点间距；
垂直方向精度±15cm； 小区域及走廊区域最为理想； 非常适合植被覆盖和裸露区的真 实DEM提取； 扫描角内提供大范围扫描； 产品更贵； 数据发布慢； 测量带宽有限，大范围作业受限； 数据获取效率低；
多天线陈列GPS确定姿态
测姿型GPS接收机系统在动态载体上 安装有以下优点 ① 能够实现自行初始化和天线自动测绘
② ③ 具有提高姿态测量精度的有利因素 具有实现实时差分的能力
2 机载激光雷达测量对地定位原理
O S
P
3 机载激光雷达测量技术的特点
① 一种直接测量系统（主动式） ② 激光脉冲信号能够部分的穿过植被，快速获得 高精度高空间分辨率的森林或山区真实数字地面 模型 ③ 基本不需要地面控制点，地形数据采集速度快 ④ 作业安全 ⑤ 作业周期快，易于更新 ⑥ 时效性强 ⑦ 将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统 中，有利于提高自动化高速化程度
机载激光雷达测量同航空摄影测量 的比较
摄影测量 被动式测量 透视几何原理 采样覆盖整个摄影区域 间接获取地面三维坐标 获取高质量的灰度影像或多光谱数据 软硬件经多年发展已经比较成熟 可利用的传感器类型很多 飞行计划相对简单 机载激光雷达测量 主动式测量 极坐标几何定位原理 驻点采样 直接获取地面三维坐标 不成像或质量很差的单色影像 新技术需不断发展，具有很大发展潜力 可供选择的传感器类型较少 飞行计划相对复杂，要求较苛刻
激光雷达测距系统
旋转镜
距离测量电子器件
θ
激光束
1、激光发射 2、激光探测 3、时延估计 4、时延延迟
激光雷达测距系统
距离测量的四个过程： 1、激光发射,通过扫描镜的转动并发射到地面, 同时信号取样得到激光主波脉冲; 2、激光探测，通过同一个扫描镜和望远镜收集 反射回来的激光回波信号，并转换为电信号； 3、时延估计； 4、时间延迟测量；
脉冲频率（KHZ）2 扫描频率 扫描角 飞行高度(m) 0-50 0-±20° 330—1000
扫描带宽
回波记录 激光脚点 理论侧滚 航向精度
0—0.73H
首次或尾次 1点/6m2 0.04° 0.05°
0.25H
首次、尾次 4点/1m2 0.01° 0.02°
1.15H
首次 9点/1m2 0.08°—0.1° 0.1°—0.15°
0.73H
多次 1点/4m2 0.02° 0.03°
6 工作流程及内业数据处理
飞行计划 GPS数据质量检查 航迹计算 系统参数测定和检校 激光脚点位置计算 激光点云生成 分割
外业数据采集
野外初步质量分析和控制
否 是
自动分类 内部QA/QC 手工分类 最后QA/QC
数据内业后处理
小结
1. 机载激光雷达测量的系统组成、激光扫描测距的 原理、动态GNSS定位、INS姿态测量系统、 GPS确定姿态的基本原理和方法 2. 分析了机载GPS动态定位的主要误差源 3. 给出了机载激光雷达测量的定位原理，介绍了几 种常用的记载激光雷达测量系统的技术参数指标 4. 总结了机载激光雷达测量技术的优越性，并在此 基础上详细比较比较了机载激光雷达测量同机载 InSAR系统以及同摄影测量的差异，各自的优缺 点 5. 机载激光雷达系统的工作流程和数据处理步骤
工程建设 服务和性能：
全球服务
开放服务： • 定位精度: 10 m • 测速精度: 0.2 m/s • 授时精度: 20 ns
区域服务
广域差分服务 • 定位精度: 1 m 短报文通信服务
授权服务
INS姿态测量系统
•惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息 、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括 空中、地面，还可以在水下。 •惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在 惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航 坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等 信息。但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因 此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正， 以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导 、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式。陀螺仪由 传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械 陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有 良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着 主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机 械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。
5 几种商用机载激光雷达测量 系统简介
• • • • ALTM1020 TS TopoSys Fli-Map1 Saab TopEye
ALTM1020
TopoSys
Fli-Map
TopEye
主要技术指标
系统名称 扫描方式 载体平台 激光波长（） ALTM1020 振动扫描镜 飞机、直升飞机 1.047 TopoSys 旋转扫描镜 或光纤阵列 飞机、直升飞机 1.540 83 600 ±7° <1000 Fli-Map1 旋转扫描镜 直升飞机 0.9 8 40 ±30° 20—200 TopSys 振动扫描镜 飞机、直升飞机 1.064 <6 25 ±20°/±10° 200—1000
飞行高度：20000英尺； 频率：15000HZ； 带宽：8km； 5m间距；
垂直方向精度±1m； 每km2的价格便宜，处理快； 适合大范围及首次作业区； 数据采集速度快； 数据发布更快； 高程精度较低； 在陡坡地区，由于雷达、阴影和 透视收缩效应的影响而受限制； 植被覆盖地区效果较差；
主要 优点
主要 缺点
扫描带宽
激光雷达测距系统 •定义
包括：激光脉冲测距系统、光电扫描仪 及控制处理系统 YAG 激光器 是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固 原理：脉冲测时测距和激光相位差测距 体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简 主要采用：脉冲测时测距、Nd：YAG激 称为YAG。在YAG基质中掺入激活离子Nd3+ (约 1%)就成为Nd:YAG。实际制备时是将一定比例的 光，波长：800-1600nm，脉宽：10Al2 O3 、Y2 O3 和NdO3 在单晶炉中熔化结晶而 15ns，峰值功率可达兆瓦，当前测距精 成。Nd:YAG属于立方晶系, 是各向同性晶体。 度可到1-3mm
与传统测量方式的比较
数据获取方式像大地测量系统 数据后处理方式像摄影测量系统
1、机载激光雷达测量系统组成
•动态差分GPS接收机 •INS或多天线陈列GPS系统 •激光测距仪 •CCD相机
机载激光雷达测量系统的组成单元
测距单元
扫描仪
控制、监测、记 录单元
激光脚点
扫描方向
差分GPS
惯性测量单元
动态GNNS定位
•动态差分定位 •精密单点定位 •GNNS动态定位及影响精度的主要 因素
动态GNNS定位
工程建设 系统组成：
空间段：由5颗GEO卫星和30颗Non-GEO卫星组成
GEO 卫星
星座
Non-GEO 卫星
工程建设 坐标系统：
北斗系统采用中国2000大地坐标系 （CGS2000）。 CGS2000与国际地球参考框架ITRF的一 致性约为5个厘米 。
谢 谢！
机载激光雷达测量同航空摄影测量 的比较
摄影测量 在相同的飞行高度下，飞行带宽宽，覆 盖面积大 受天气影响 数据自动化程度低，特别是处理航片时 需要人工干预 GPS（INS可选）、GPS/INS数据采用 率低 机载激光雷达测量 飞行带宽较窄，容易形成漏飞区域 理论上能全天侯采集数据，实际上背景 反射越弱，测距效果越好 容易实现数据处理自动化 GPS+INS（价格昂贵）、GPS/INS数 据采样率高
激光雷达技术
——机载激光雷达测量系统
郑 坤
Michael_Power@21cn.com
主要内容
1. 2. 3. 4. 机载激光雷达组成 机载激光雷达测量对地定位原理 机载激光雷达测量技术的特点 机载激光雷达测量技术与其它技术的比 较 5. 几种商用激光雷达测量系统简介 6. 机载激光雷达测量的工作流程与内业数 据处理