机载激光雷达测量系统
机载三维激光雷达(LIDAR)扫描测量技术在长输管道测量中的应用
机载三维激光雷达(LIDAR)扫描测量技术在长输管道测量中的应用摘要：本文论述了机载三维激光雷达扫描测量技术在长输管道测量中的应用，并结合实际论述了该技术的方法和特点，该方法在管道测量中充分体现了其高精度、高密度、高效率、产品丰富等特点，为今后该技术在长输管道勘察设计中的应用提供了有力的技术支持。
关键词：机载激光雷达；激光点云；正射影响；数字高程模型1机载LIDAR技术简介机载三维激光雷达扫描测量(以下简称机载LIDAR- Light Detection and Ranger)技术是继GPS以来在测绘遥感领域的又一场技术革命。
LIDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。
机载激光扫描可以获取更小的目标信息，如高压线，可以穿透植被等覆盖物获得地面点数据，而且可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标，同时它也是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术，可以快速、低成本、高精度地获取三维地形地貌、航空数码影像及其它方面的海量信息。
特别是对长输管网工程地处山区密林、植被茂密、无人进入的区域，传统的测量技术无法满足工期的要求，而且人员进入测区非常困难，因此，本项目的测绘工作，采用了机载三维激光雷达扫描测量。
2技术内容2.1获取数据的方法和原理机载激光雷达测量系统设备主要包括三大部件：机载激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统POS(包括全球定位系统GPS和惯性导航仪IMU)。
其中机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据，测量地形同时记录回波强度及波形；航空数码相机部件拍摄采集航空影像数据；定向定位系统POS部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态，由GPS确定空间位置，由IMU测量仰俯角、侧滚角和航向角数据。
激光雷达工作原理图LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。
《机载激光雷达》课件
随着技术的不断进步和应用需求的不断增加，机载激光雷达技术将不断向更高精 度、更高效率、更安全可靠的方向发展。
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目 录
• 机载激光雷达简介 • 机载激光雷达技术 • 机载激光雷达应用案例 • 机载激光雷达的挑战与未来发展
01 机载激光雷达简 介
定义与特点
总结词
机载激光雷达是一种集激光测距、全球定位系统（GPS）和惯性测量单元（ IMU）于一体的遥感技术。
详细描述
机载激光雷达通过向地面发送激光脉冲并接收反射回来的信号，能够获取高精 度的三维地形数据。它具有高分辨率、高精度、快速获取数据等优点，广泛应 用于地形测绘、城市规划、资源调查等领域。
地震灾害评估
利用机载激光雷达技术，评估地震灾害对建筑物 和基础设施的影响，为灾后重建提供技术支持。
考古探测
遗址区地形测绘
通过机载激光雷达技术，获取遗址区高精度、高分辨率的地形数 据，为考古研究提供基础资料。
遗址区建筑物结构分析
利用机载激光雷达数据，分析遗址区建筑物的结构特点，为文物修 复和保护提供依据。
激光发射与接收
激光发射器根据不同的应用需求 ，发射不同波长的激光束，常见 的波长有近红外、中红外和远红
外等。
接收器通常使用光电倍增管或雪 崩二极管等光电传感器，用于接 收反射回来的光束，并将其转换
为电信号。
激光雷达通过测量反射回来的光 束与发射光束的时间差，计算出
目标的距离信息。
数据处理与分析
1
遗址区植物种类鉴定
通过分析机载激光雷达数据，鉴定遗址区植物种类，为环境考古和 生态研究提供数据支持。
04 机载激光雷达的 挑战与未来发展
机载激光雷达参数
机载激光雷达参数
机载激光雷达（Airborne LiDAR）是一种高精度三维数据采集设备，可以用于地形测量、地表覆盖分类、建筑物地物提取等多个领域。
下面将对机载激光雷达的主要参数进行详细介绍。
1. 激光发射参数
（1）激光波长：机载激光雷达一般采用近红外波段，波长在800-1064nm之间。
（2）激光脉冲频率：指激光束发出的脉冲数，一般在1-50kHz之间。
2. 接收器参数
（1）接收器视场角：指接收器能够接受的激光束角度范围，通常在30-60度之间。
（2）接收器灵敏度：指接收器的信号增益，一般以电子伏特（V）表示。
（3）接收器噪声：指接收器在没有信号时的最小输出值，正常情况下要小于1个光子。
3. 扫描参数
（1）扫描方式：机载激光雷达主要有两种扫描方式，一种是机械扫描，另一种是固态扫描。
机械扫描一般采用旋转镜头的方式改变激光束的方向，而固态扫描利用微镜片或者转换器件快速切换激光束方向。
（2）扫描速度：机载激光雷达的扫描速度通常在10-50Hz之间。
4. 定位参数
（1）定位系统类型：机载激光雷达的定位系统通常采用GPS、IMU等。
（2）定位精度：指机载激光雷达采集的数据对应的位置精度，通常在10cm以内。
5. 数据处理参数
（1）数据格式：机载激光雷达数据格式通常为LAS或ASCII格式。
（2）能量密度：指激光雷达扫描的数据点密度，一般在1-30点/m2之间。
（3）分辨率：指数据采集的最小细节尺寸，一般在10-50cm之间。
探讨机载激光雷达系统在测绘领域的应用
探讨机载激光雷达系统在测绘领域的应用广泛应用于测绘领域的机载激光雷达系统不仅操作较为复杂且具有极强的综合性，该系统的运行需要多种系统同时运行辅助进行，如激光扫描系统、航拍系统、卫星定位系统等。
笔者结合多年的实际工作经验并结合相关资料，对机载激光雷达系统的现状、技术及应用等作了简要分析，以期为相关从业或研究人员提供借鉴与参考。
标签：机载激光雷达系统；应用现状；技术一、机载激光雷达系统的应用现状据有关文献记载，机载激光雷达系统最早出现于二十多年前，在美国的航天领域中被用于测量物体间的距离。
随着科技水平的进一步提高，机载激光雷达系统的应用范围也逐渐由简单的测量扩大到更多的领域中。
近年来，机载激光雷达系统在世界各国各领域范围内的市场份额逐渐增大。
与美国、德国等具代表性的国家相比，我国引入机载激光雷达系统的时间较晚，但发展速度却十分迅速，现阶段，机载激光雷达系统已被广泛应用于我国地质勘测、城市建设等方面。
除此之外，我国相关研究人员正致力于研究如何将与之相关的激光扫描系统等应用于交通领域。
二、机载激光雷达测量技术概述（一）主要特点及性能测量技术是机载激光雷达系统最先开发的技术之一，也是迄今为止最高效的技术性能之一。
其不仅能够高度覆盖测量范围，高效率进行测量，而且其测量数据十分精确。
准确来说，机载激光雷達技术的测量误差能够严格控制在十五厘米以内。
此外，其测量过程中所得出的点云数据还能够准确反映所勘测地区的地形、地貌等，为测量人员的实际测量降低难度，进一步提高了测量数据的精确性。
除此之外，机载激光雷达在应用于测量时使用的测量方法是主动测量，对所要测量的区域进行实地勘测。
使用机载激光雷达进行测量的最大优点是其工作的开展不受周围环境及天气状况的影响，无论是白天或是黑夜，或是浓雾、阴雨等天气，均能够正常开展工作。
与此同时，机载激光雷达的测量技术具有较强的穿透力，应用于植被茂盛的地区时，也能够直接穿过植被测量被植被所覆盖的区域，且不会出现其测量结果因植被的影响而不准确的情况。
机载激光雷达(LiDAR)测量在公路三维测设中的应用探究
机载激光雷达(LiDAR)测量在公路三维测设中的应用探究机载激光雷达（LiDAR）测量技术融合了多种先进技术，在公路三维测设中发挥着更大的作用。
基于此，本文分析了机载激光雷达（LiDAR）测量的技术的使用优势，阐述了辅助地面控制测量、采集参数的选择、横断面的采集、DOM、DEM、DLG的制作这些机载激光雷达（LiDAR）测量技术在公路三维测设中的应用。
标签：机载激光雷达（LiDAR）测量;公路;三维测设作为一种新型的空间测量技术，机载激光雷达（LiDAR）测量技术融合了全球定位系统（GNSS）、激光扫描、摄影测量、惯性导航系统（IMU）等技术，能够更加准确的、快速的完成地表三维空间信息的收集。
可以说，机载激光雷达（LiDAR）测量技术是继GPS技术后的又一次三维测绘技术进步。
经过实践能够发现，机载激光雷达（LiDAR）测量技术能够更加高效的获取地面精密数字地面模型，在公路三维测设中发挥着重要的作用。
一、机载激光雷达（LiDAR）测量的技术分析（一）机载激光雷达（LiDAR）测量技术的使用优势分析对于机载激光雷达（LiDAR）测量技术来说，其融合的多种先进技术，在公路三维测设中有着更好的使用有优势。
机载激光雷达（LiDAR）测量技术主要有以下几种使用优势：第一，数据密度相对较高。
机载激光点云的采集间距相对较小，一般在0.8-1.2米之间。
结合实际的需求该间距可以更小。
在这样的采集条件下，数据密度显著提升，在真实地面高程模型的建立中有着极大的优势。
而在传统的DTM测量中，平均点的间距在25米左右。
可知，机载激光雷达（LiDAR）测量技术有着更高的数据密度。
第二，精确度相对较高。
对于机载激光点云数据来说，其获取都是激光测量直接完成的。
理论上，机载激光雷达（LiDAR）测量技术的高程精度可以达到0.1米;平面精度可以达到0.15米。
而在传统的航测中，理论上的高程精度为0.3-0.5米。
第三，空三定位更为先进。
机载激光雷达系统组成讲解
机载激光雷达系统组成讲解机载激光雷达系统由激光发射器、激光接收器、数据处理器、导航系统等组成。
它是一种利用激光技术进行远距离探测和测量的设备，广泛应用于航空、地质勘探、测绘、军事等领域。
激光雷达是一种主动式遥感技术，利用激光束对目标进行扫描和测量。
激光发射器通过发射脉冲激光束，激光束经过大气层后与目标相互作用，一部分激光束被目标反射回来，被激光接收器接收到。
激光接收器将接收到的激光信号转换成电信号，并通过数据处理器进行处理和解析，得到目标的距离、速度、方位等信息。
机载激光雷达系统具有许多优点。
首先，它能够实现高精度的测量。
激光束的波长短，可以实现毫米级的测量精度，尤其适用于需要高精度测量的应用领域。
其次，机载激光雷达系统具有较长的探测距离。
激光束在大气层中传播的衰减较小，因此可以实现远距离的目标探测。
再次，机载激光雷达系统具有高测量速度。
激光束的传播速度非常快，可以实现高速目标的测量和探测。
此外，机载激光雷达系统还具有对地形和目标的三维测量能力，可以获取目标的高程、坐标和形状等信息。
在航空领域，机载激光雷达系统被广泛应用于飞行安全监测和地形测绘。
通过激光雷达系统，可以对航空器周围的地形、建筑物和障碍物进行高精度的三维测量，为飞行员提供准确的导航和避障信息，提高飞行安全性。
此外，机载激光雷达系统还可以用于地理信息系统（GIS）的建设，通过对地表地貌的测量，实现地理信息的采集和更新。
在地质勘探和测绘领域，机载激光雷达系统被应用于地形测绘和地质灾害监测。
通过激光雷达系统，可以获取地表的高程和形状信息，为地质勘探和地质灾害监测提供准确的数据支持。
此外，机载激光雷达系统还可以用于海洋测量和海洋资源勘探，通过对海洋表面的反射激光进行测量，可以获取海洋的波浪、潮汐和海流等信息。
在军事领域，机载激光雷达系统被广泛应用于目标探测和情报获取。
通过激光雷达系统，可以实现对地面、海面和空中目标的探测和跟踪，为军事侦察和目标打击提供准确的数据支持。
机载激光雷达的知识
机载激光雷达的知识发布日期:2009-09-04 我也要投稿!作者:网络阅读:309[ 字体选择：大中小 ]机载激光雷达特点、分类及其发展激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。
目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs 半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。
其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。
根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。
其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。
相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。
按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。
激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。
至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。
由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近，相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。
并由发射/接收（T/R）开头隔离。
T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。
T/R 开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。
激光雷达测量系统介绍
激光雷达测量系统介绍数据事业部李谨Lidar (Light Detecting And Ranging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的高科技集成系统，代表着当前数码测绘技术的前沿。
机载GPS提供Lidar系统的空间位置，惯性测量系统提供Lidar激光的方向，激光系统提供激光脉冲，计算机系统提供高速、大规模数据存储空间与处理能力。
近年来，国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。
其主要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面重建研究，以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。
一．Lidar技术产生背景激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。
40年来，经过基础理论和应用技术研究，目前已经进入全面发展和应用阶段。
激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生面，而且广泛渗透到各个学科。
它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手段，带动和促进了科学技术的发展。
利用激光作为遥感设备，可追溯到30多年以前。
从20世纪60年代到70年代这段时期,人们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。
美国早在20世纪70年代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,以机载激光扫描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。
随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技术的发展日新月异。
机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型，以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态。
同时，配合地物的视频或红外成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。
机载激光扫描测高技术的发展，为获取高时空分辨率的地球空间信息，提供了一种全新的技术手段。
使人们从传统的人工单点数据获取，变为连续自动数据获取,提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。
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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 ➢ 授权服务
➢ 区域服务 ➢ 广域差分服务 • 定位精度: 1 m ➢ 短报文通信服务
INS姿态测量系统
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
机录单元
差分GPS 惯性测量单元
扫描仪
激光脚点 扫描方向
摄影测量
机载激光雷达测量
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
采样覆盖整个摄影区域
驻点采样
间接获取地面三维坐标
直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 不成像或质量很差的单色影像
软硬件经多年发展已经比较成熟
新技术需不断发展，具有很大发展潜力
可利用的传感器类型很多
可供选择的传感器类型较少
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 具有提高姿态测量精度的有利因素 ③ 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
LIDAR:AeroScan
INSAR:Star-3i
主要技术 参数
飞行高度:8000英尺； 频率：1500HZ； 带宽：1.8km； 4m点间距；
飞行高度：20000英尺； 频率：15000HZ； 带宽：8km； 5m间距；
主要 优点
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；
•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。
飞行计划相对简单
飞行计划相对复杂，要求较苛刻
机载激光雷达测量同航空摄影测量 的比较
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 原YA理G 激：光脉器冲是测以钇时铝测石距榴和石晶激体光为相基位质差的一测种距固
体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简
主称为要Y采AG用。：在Y脉AG冲基测质时中掺测入距激、活N离子d：NdY3A+G(约激 光1%，)就波成为长N：d:8Y0A0G-。16实0际0制nm备，时是脉将宽一：定1比0例- 的 1A5l2nOs，3 、峰Y值2 O功3 率和N可d达O3兆在瓦单晶，炉当中前熔测化结距晶精而 度成。可N到d:Y1-A3Gm属m于立方晶系, 是各向同性晶体。
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
星座
GEO 卫星 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）。
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
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
激光雷达技术
——机载激光雷达测量系统
郑坤
Michael_Power@
主要内容
1. 机载激光雷达组成 2. 机载激光雷达测量对地定位原理 3. 机载激光雷达测量技术的特点 4. 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
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
激光雷达测距系统
旋转镜
距离测量电子器件
1、激光发射 2、激光探测 3、时延估计 4、时延延迟
θ
激光束
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；
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；
主要 缺点
产品更贵；
高程精度较低；
数据发布慢；
在陡坡地区，由于雷达、阴影和
测量带宽有限，大范围作业受限； 透视收缩效应的影响而受限制；
数据获取效率低；
植被覆盖地区效果较差；
机载激光雷达测量同航空摄影测量 的比较