LiDAR基础知识
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• 当影像被获取时，通常不用于 定量分析
强度图
LiDAR 点云
异常点
粗差点 可能由鸟、微粒、空气污染、系统误差引起
粗差点
LiDAR 点云
A laser may reflect in specular fashion from the wall of a building，从 而将脉冲发射到一些与仪器不同的方向上
基本技术与原理
机载LiDAR系统部件
• • • • • 平台 扫描仪发射-接收单元 差分 GPS 惯性测量单元(IMU) 计算机
基本技术与原理-平台
航空器、直升机、 卫星、车
基本技术与原理-平台
扫描激光器发射-接收单元
• 使用激光束作为侦测载体的 主动传感系统. • 从发射器发射激光（脉冲或 连续波）并捕获反射能量 •
通过对模拟波形间歇性地采样，获取全波形
全波形数字化
商业系统
公司
Optech International Inc Leica Geosystems Riegl
国家
加拿大 美国 澳大利亚
产品
ALTM Gemini,ALTM Orion ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
简介—LiDAR是什么？
• LiDAR 代表 激光探测与测 距, 俗称激光雷达 • 在过去的20年中，LiDAR 是主流地形测绘领域引入 的最重要的技术之一 • 能够获取高密度、高精度 三维点云数据
简介—整体概述
• LIDAR: 通过激光照射目标的方式，测量距目标的距离或 其它属性, 往往使用来自同一个激光的脉冲。 • 与雷达相似是主动式遥感，但使用激光脉冲而不是无线电 波 • 可以快速采集三维点位坐标. • 相较大多数其它技术，使用LiDAR采集高程数据具有很多 优势。其中主要的因素是更高的精度（ 厘米级）, 林区地 形的穿透力。在夜间也可以采集数据!
IGI
德国
德国
Harrier 56/G4,Falcon II
LiteMapper
5大商业供应商
来自百度文库供应商
商业系统
Leica ALS60
Trimble Harrier 56
产品
商业系统
产品
商业系统
ALS 系统主要技术参数概述
产品
商业系统
北京星球数码科技有限公司 山西亚太数字遥感公司 ALS40 LiteMapper2800
LiDAR 点云
LiDAR 数据通常给开发软件提供大量的传感器特性. 标准的LiDAR传感器地理编码软 件发行带有丰富关联属性的点云数据。
每个点的属性
LiDAR 点云
• 通常不被使用的LiDAR获取物的 副产品，是激光脉冲撞击到的 物体的强度。 这是一张经正射 纠正后的未标定的8位影像，因 此，可以用作正射影像。
LiDAR的多路径导致了虚假数据点
LiDAR 点云
• • • • • LAS在形成委员会内部使用，同时也被提 供作为ASPRS的一个标准。 经过ASPRS LiDAR小组委员会的简单修 改后，LAS1.0版本被批准为ASPRS数据。 2003年5月9号形成标准 目前已更新到1.1,1.2,1.3 及 2.0版本。 目前所有的商业LiDAR数据处理软件供应 商都支持LAS1.0，这允许了数据的无缝交 换。
• 扫描模式主要依赖于以不同模式扫描地面的LiDAR传感器。这种模式也受地 形特点和飞行轨迹中的扰动 (姿态和加速)的影响。
机制
Most common pattern (Leica, Optech)
地面模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
在这种扫描中，一个摆镜引 导激光脉冲横穿细长列 。通 过使用电流计，能够使得这 种模式更加均匀。扫描的两 个方向上同时生成数据点。
高数据密度
每秒高达167,000次脉冲。 能够量测到的点密度高于每平方米 24个点 多重回波采集三维数据。
必需的地面控制最少
LiDAR 点云
格网与点云对比
由于扫描设备的几何特性，没有将数据组织为规 则格网。 非规则数据可以重采样为规则格网或 者保存到一个支持非规则组织的存储格式中。
不是以网格形式组织的三维数据时常称为 点云，因为它们拥有与云类似的不明显的 边界。
这些方法的问题
• • • • • • 劳动密集 耗时 代价高 受很多条件制约（一年中的一个时期、太阳角度、天气等） 可能需要数据采集器定位 几乎不能测量像森林、冰雪表面、沙滩海岸、沙丘、沙漠、 沼泽及湿地这样的一些地区
传统的地形数据采集方法
LiDAR的优势
LiDAR
主动系统. 白天或晚上都可采集数据 直接采集三维数据 表面成图几乎没有纹理。因此，影像匹配交 付非常差的结果，人工测量值同样也是差的 或累赘的
这种模式中点密度是不均匀 的, 因为由于摆镜的减速使得 点倾向于向细长列的终端靠 拢. 使用电流计在在某种程 度上消除了这一问题
曲折 或 蜿蜒型模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
平行线模式
一个旋转的多面镜引导激光脉冲沿着平行线横穿细长列 。只在扫描方向上 生成数据点。这种模式的好处是可以获取在地面上散步均匀的点 。
扫描机制
基本技术与原理- 测量
椭圆模式
通过一个绕轴转动的俯垂镜，产生椭圆模式。镜面与旋转轴之 间有一个倾角，这使得点遭受椭圆模式的射击。
扫描机制
基本技术与原理- 测量
树木多重回波例子
可以用不同的方式对接收到的激光脉冲进行采样- 最大的回波, 第 一个和最后一个极大回波, 或者是大于波形不同阶段的阈值的所 有回波. 通过每个回波的时间测量，测出相应的距离，并计算出 点位的三维坐标。
公共头块 变长记录 点云 LAS 1.0
流行的点云文件格式: LAS
LiDAR 应用
• • •
• • • • • • •
走廊测绘, 例如, 公路, 铁路轨道,管道, 水路地貌 电力输电线路和铁塔的测绘，包括电力线到地面或树木的净空距离等 DTM生成, especially in forested areas in forests also for road and path planning, 水系 格局的研究等. 沿海地区测量, 包括沙丘和潮滩, 海岸变化与侵蚀的测定 高精度密集测量应用, 例如, 洪水测绘, 露天矿区的DTM生成及体积计算, 公路设计与建 模 城区DTM和DSM的生成, 自动建筑物提取, generation of 3-D city models for planning of relay antenna locations in wireless telecommunication, 城市规划, 微气候模型, 噪声 和污染的传播 自然灾害后的快速测图和灾害评估, 例如, 在飓风、地震、滑坡等灾害之后 冰雪覆盖区测量,包括冰川监测 植被参数的推测, 例如, 树高, 冠径, 树密度, 生物量估计, 森林边界测定 深度高达70m的水文测量
简介—发展历史
• 机载激光扫描的发展可追溯到二十世纪70和80年代，一个 早期的NASA系统及美国和加拿大其它的尝试。 • 之后，GPS解决了关键的定位问题，使得高精度性能切实 可行。斯图加特大学在1990-1993年间对一个激光断面测 量系统的深入研究证明了高几何精度的潜力。 • 在二十世纪90年代成熟。商业系统出现。
测高LiDAR的激光要求
基本技术与原理-平台
• 定位定向系统(POS ) = 全球定位系统(DGPS)+ 惯性测量单元(IMU) + 控制 单元.
POS系统确定扫描仪系统依次的位置、海拔与姿态。 POS
基本技术与原理- 测量
• 扫描镜发出激光束扫 过地面
• 到目标的距离通过发 送/返回的脉冲时间测 量计算 • 飞行器的位置有GPS 相位差分获得 • 指向角由惯性导航获 得的飞行器姿态和扫 描镜方向共同确定 • 数据流记录与同步
生成的DSM
LiDAR 应用
集成式GIS用于湄公河三角洲地区发展
生成的DSM
LiDAR 应用
脉冲能够穿过树冠的小空隙. 因此，树 冠下的数据点将可用. 算法能够分离树 木点和地面点, 从而生成林区地面的 DEM. 林区地面DEM已经应用于森林火 灾区划及灾害管理。
林区LiDAR数据(上图) 及对应的林区地面 DEM(下图)
激光雷达及其在地理空间领域中的应用
胡翔云 教授
武汉大学遥感信息工程学院
概要
• • • • • 简介 基本原理方法 激光雷达数据 优势及主要应用 激光雷达的未来
简介—激光
• 激光(利用辐射的受激发射放大光波)具 有高度的单色性、相干性、方向性并 能够高能聚集。
对于遥感来说，能够发射大功率、短 时、窄带宽、辐射能低分散脉冲的激 光是必须的 激光既能用于光谱分析又能用于目标 测距
因为LiDAR点散步整个树冠，所以人 们使用LiDAR数据开发用于估计生物 量的模型。 穿透树冠点的百分比信息可以与叶面 积指数 (LAI) 建立关联。
国内购买LiDAR的组织机构（部分）
产品
商业系统
AOE-LiDAR was manufactured by AOE of CAS (中科院光电所)
产品
LiDAR的优势
• • • • 传统的地面测量（经纬仪） 电子测距设备(EDM) 全球定位系统(GPS) 摄影测量
传统的地形数据采集方法
LiDAR的优势
中国海监北海支队
广西桂能信息工程公司
ALS50I
LiteMapper5600
北京星天地信息科技有限公司
广州建通测绘技术开发有限公司
Optech ALTM3100
Toposys FALCONII
武汉大学
中国航空物探遥感中心 中国测绘科学研究院 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院
ALS50II
ALS50II ALS50II Optech ALTM Gemini
多重回波
基本技术与原理- 测量
多重回波
基本技术与原理- 测量
全波形测量从第一个可 探测信号开始一直到最 后一个可探测信号结束。 数量不受限制的脉冲回 波的优势是能够揭露树 冠及冠层内的细节。拥 有这一设施的系统有 RIEGL LMS-Q560， Litemapper and ALTM3100 (Optech)。
LiDAR 应用
生成大比例尺城区地图 LiDAR 有助于建筑物的识别，这一点对测
图、收入估算及变化监测研究是非常重要 的。 LiDAR能够采集即使是城市里狭窄阴暗的 小巷数据的能力，使得它成为实现这个目 标的理想之选。
精确、密集及快速 地形资料的采集有助于城区其它丰 富多样的GIS应用 可视化, 应急路径规划等
快速获取和处理
Acquisition of 1000 km2 in 12 hours. 24小时内完成1000平方公里的DEM生成
高精度
垂直精度 5-15 cm (1s) 水平精度 30-50 cm
数据采集及处理的时间更少, 大部分是自 动化系统
与摄影测量、全球定位系统或是土地测量不同，大 多数处理是自动化的。
工作原理
基本技术与原理- 测量
在 LiDAR 测距中，点位（或地理参考）是如何计算的?
是地球中心到地面点的三维矢量 是地球中心到激光发射点的三维矢量 是激光发射点到地面点的三维矢量
初步得到的是WGS84坐标系下的 点位坐标, 在通常的测绘项目中， 人们经常需要将它们转换为当地 坐标系
工作原理
基本技术与原理- 测量
LiDAR 与摄影测量对比
LiDAR的优势
主动式遥感系统,不依赖天气和光线
数据采集不受太阳偏角、夜晚、略差天气的影响
树冠穿透能力
LiDAR pulses can reach beneath the canopy thus generating measurements of points there unlike photogrammetry.
使用激光测距的原理
脉冲激光:
连续波激光（CW laser）
基本技术与原理-平台
• 为了实现精确的长距离测量，激光脉冲应具备以下特性：
– 大功率: 这样接收器可接收到可用的反射
– 短脉冲长度: 在时间测量方面，不确定性更少 – 高准直度: 因为光斑更小，所以不确定性更少 – 窄光谱: 小的带通滤波器用以减小噪声 – 对人眼安全: 当波长减小时，激光会变得更加危险 – 地物的激光光谱反射性: 这样反射（信号）是可用的.
摄影测量
被动系统. 只能白天采集数据 流程复杂并且有时不可靠 几乎不能测量像森林、冰雪表面、沙滩海岸、 沙丘、沙漠、沼泽及湿地这样的地区
逐点采样 高程精度高于平面精度 点云难以获取语义信息; 然而，强度值能够 用于生产一个类似产品的视觉丰富的影像
全区域覆盖 平面精度由于高程精度 能够从影像中提取丰富的语义信息
强度图
LiDAR 点云
异常点
粗差点 可能由鸟、微粒、空气污染、系统误差引起
粗差点
LiDAR 点云
A laser may reflect in specular fashion from the wall of a building，从 而将脉冲发射到一些与仪器不同的方向上
基本技术与原理
机载LiDAR系统部件
• • • • • 平台 扫描仪发射-接收单元 差分 GPS 惯性测量单元(IMU) 计算机
基本技术与原理-平台
航空器、直升机、 卫星、车
基本技术与原理-平台
扫描激光器发射-接收单元
• 使用激光束作为侦测载体的 主动传感系统. • 从发射器发射激光（脉冲或 连续波）并捕获反射能量 •
通过对模拟波形间歇性地采样，获取全波形
全波形数字化
商业系统
公司
Optech International Inc Leica Geosystems Riegl
国家
加拿大 美国 澳大利亚
产品
ALTM Gemini,ALTM Orion ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
简介—LiDAR是什么？
• LiDAR 代表 激光探测与测 距, 俗称激光雷达 • 在过去的20年中，LiDAR 是主流地形测绘领域引入 的最重要的技术之一 • 能够获取高密度、高精度 三维点云数据
简介—整体概述
• LIDAR: 通过激光照射目标的方式，测量距目标的距离或 其它属性, 往往使用来自同一个激光的脉冲。 • 与雷达相似是主动式遥感，但使用激光脉冲而不是无线电 波 • 可以快速采集三维点位坐标. • 相较大多数其它技术，使用LiDAR采集高程数据具有很多 优势。其中主要的因素是更高的精度（ 厘米级）, 林区地 形的穿透力。在夜间也可以采集数据!
IGI
德国
德国
Harrier 56/G4,Falcon II
LiteMapper
5大商业供应商
来自百度文库供应商
商业系统
Leica ALS60
Trimble Harrier 56
产品
商业系统
产品
商业系统
ALS 系统主要技术参数概述
产品
商业系统
北京星球数码科技有限公司 山西亚太数字遥感公司 ALS40 LiteMapper2800
LiDAR 点云
LiDAR 数据通常给开发软件提供大量的传感器特性. 标准的LiDAR传感器地理编码软 件发行带有丰富关联属性的点云数据。
每个点的属性
LiDAR 点云
• 通常不被使用的LiDAR获取物的 副产品，是激光脉冲撞击到的 物体的强度。 这是一张经正射 纠正后的未标定的8位影像，因 此，可以用作正射影像。
LiDAR的多路径导致了虚假数据点
LiDAR 点云
• • • • • LAS在形成委员会内部使用，同时也被提 供作为ASPRS的一个标准。 经过ASPRS LiDAR小组委员会的简单修 改后，LAS1.0版本被批准为ASPRS数据。 2003年5月9号形成标准 目前已更新到1.1,1.2,1.3 及 2.0版本。 目前所有的商业LiDAR数据处理软件供应 商都支持LAS1.0，这允许了数据的无缝交 换。
• 扫描模式主要依赖于以不同模式扫描地面的LiDAR传感器。这种模式也受地 形特点和飞行轨迹中的扰动 (姿态和加速)的影响。
机制
Most common pattern (Leica, Optech)
地面模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
在这种扫描中，一个摆镜引 导激光脉冲横穿细长列 。通 过使用电流计，能够使得这 种模式更加均匀。扫描的两 个方向上同时生成数据点。
高数据密度
每秒高达167,000次脉冲。 能够量测到的点密度高于每平方米 24个点 多重回波采集三维数据。
必需的地面控制最少
LiDAR 点云
格网与点云对比
由于扫描设备的几何特性，没有将数据组织为规 则格网。 非规则数据可以重采样为规则格网或 者保存到一个支持非规则组织的存储格式中。
不是以网格形式组织的三维数据时常称为 点云，因为它们拥有与云类似的不明显的 边界。
这些方法的问题
• • • • • • 劳动密集 耗时 代价高 受很多条件制约（一年中的一个时期、太阳角度、天气等） 可能需要数据采集器定位 几乎不能测量像森林、冰雪表面、沙滩海岸、沙丘、沙漠、 沼泽及湿地这样的一些地区
传统的地形数据采集方法
LiDAR的优势
LiDAR
主动系统. 白天或晚上都可采集数据 直接采集三维数据 表面成图几乎没有纹理。因此，影像匹配交 付非常差的结果，人工测量值同样也是差的 或累赘的
这种模式中点密度是不均匀 的, 因为由于摆镜的减速使得 点倾向于向细长列的终端靠 拢. 使用电流计在在某种程 度上消除了这一问题
曲折 或 蜿蜒型模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
平行线模式
一个旋转的多面镜引导激光脉冲沿着平行线横穿细长列 。只在扫描方向上 生成数据点。这种模式的好处是可以获取在地面上散步均匀的点 。
扫描机制
基本技术与原理- 测量
椭圆模式
通过一个绕轴转动的俯垂镜，产生椭圆模式。镜面与旋转轴之 间有一个倾角，这使得点遭受椭圆模式的射击。
扫描机制
基本技术与原理- 测量
树木多重回波例子
可以用不同的方式对接收到的激光脉冲进行采样- 最大的回波, 第 一个和最后一个极大回波, 或者是大于波形不同阶段的阈值的所 有回波. 通过每个回波的时间测量，测出相应的距离，并计算出 点位的三维坐标。
公共头块 变长记录 点云 LAS 1.0
流行的点云文件格式: LAS
LiDAR 应用
• • •
• • • • • • •
走廊测绘, 例如, 公路, 铁路轨道,管道, 水路地貌 电力输电线路和铁塔的测绘，包括电力线到地面或树木的净空距离等 DTM生成, especially in forested areas in forests also for road and path planning, 水系 格局的研究等. 沿海地区测量, 包括沙丘和潮滩, 海岸变化与侵蚀的测定 高精度密集测量应用, 例如, 洪水测绘, 露天矿区的DTM生成及体积计算, 公路设计与建 模 城区DTM和DSM的生成, 自动建筑物提取, generation of 3-D city models for planning of relay antenna locations in wireless telecommunication, 城市规划, 微气候模型, 噪声 和污染的传播 自然灾害后的快速测图和灾害评估, 例如, 在飓风、地震、滑坡等灾害之后 冰雪覆盖区测量,包括冰川监测 植被参数的推测, 例如, 树高, 冠径, 树密度, 生物量估计, 森林边界测定 深度高达70m的水文测量
简介—发展历史
• 机载激光扫描的发展可追溯到二十世纪70和80年代，一个 早期的NASA系统及美国和加拿大其它的尝试。 • 之后，GPS解决了关键的定位问题，使得高精度性能切实 可行。斯图加特大学在1990-1993年间对一个激光断面测 量系统的深入研究证明了高几何精度的潜力。 • 在二十世纪90年代成熟。商业系统出现。
测高LiDAR的激光要求
基本技术与原理-平台
• 定位定向系统(POS ) = 全球定位系统(DGPS)+ 惯性测量单元(IMU) + 控制 单元.
POS系统确定扫描仪系统依次的位置、海拔与姿态。 POS
基本技术与原理- 测量
• 扫描镜发出激光束扫 过地面
• 到目标的距离通过发 送/返回的脉冲时间测 量计算 • 飞行器的位置有GPS 相位差分获得 • 指向角由惯性导航获 得的飞行器姿态和扫 描镜方向共同确定 • 数据流记录与同步
生成的DSM
LiDAR 应用
集成式GIS用于湄公河三角洲地区发展
生成的DSM
LiDAR 应用
脉冲能够穿过树冠的小空隙. 因此，树 冠下的数据点将可用. 算法能够分离树 木点和地面点, 从而生成林区地面的 DEM. 林区地面DEM已经应用于森林火 灾区划及灾害管理。
林区LiDAR数据(上图) 及对应的林区地面 DEM(下图)
激光雷达及其在地理空间领域中的应用
胡翔云 教授
武汉大学遥感信息工程学院
概要
• • • • • 简介 基本原理方法 激光雷达数据 优势及主要应用 激光雷达的未来
简介—激光
• 激光(利用辐射的受激发射放大光波)具 有高度的单色性、相干性、方向性并 能够高能聚集。
对于遥感来说，能够发射大功率、短 时、窄带宽、辐射能低分散脉冲的激 光是必须的 激光既能用于光谱分析又能用于目标 测距
因为LiDAR点散步整个树冠，所以人 们使用LiDAR数据开发用于估计生物 量的模型。 穿透树冠点的百分比信息可以与叶面 积指数 (LAI) 建立关联。
国内购买LiDAR的组织机构（部分）
产品
商业系统
AOE-LiDAR was manufactured by AOE of CAS (中科院光电所)
产品
LiDAR的优势
• • • • 传统的地面测量（经纬仪） 电子测距设备(EDM) 全球定位系统(GPS) 摄影测量
传统的地形数据采集方法
LiDAR的优势
中国海监北海支队
广西桂能信息工程公司
ALS50I
LiteMapper5600
北京星天地信息科技有限公司
广州建通测绘技术开发有限公司
Optech ALTM3100
Toposys FALCONII
武汉大学
中国航空物探遥感中心 中国测绘科学研究院 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院
ALS50II
ALS50II ALS50II Optech ALTM Gemini
多重回波
基本技术与原理- 测量
多重回波
基本技术与原理- 测量
全波形测量从第一个可 探测信号开始一直到最 后一个可探测信号结束。 数量不受限制的脉冲回 波的优势是能够揭露树 冠及冠层内的细节。拥 有这一设施的系统有 RIEGL LMS-Q560， Litemapper and ALTM3100 (Optech)。
LiDAR 应用
生成大比例尺城区地图 LiDAR 有助于建筑物的识别，这一点对测
图、收入估算及变化监测研究是非常重要 的。 LiDAR能够采集即使是城市里狭窄阴暗的 小巷数据的能力，使得它成为实现这个目 标的理想之选。
精确、密集及快速 地形资料的采集有助于城区其它丰 富多样的GIS应用 可视化, 应急路径规划等
快速获取和处理
Acquisition of 1000 km2 in 12 hours. 24小时内完成1000平方公里的DEM生成
高精度
垂直精度 5-15 cm (1s) 水平精度 30-50 cm
数据采集及处理的时间更少, 大部分是自 动化系统
与摄影测量、全球定位系统或是土地测量不同，大 多数处理是自动化的。
工作原理
基本技术与原理- 测量
在 LiDAR 测距中，点位（或地理参考）是如何计算的?
是地球中心到地面点的三维矢量 是地球中心到激光发射点的三维矢量 是激光发射点到地面点的三维矢量
初步得到的是WGS84坐标系下的 点位坐标, 在通常的测绘项目中， 人们经常需要将它们转换为当地 坐标系
工作原理
基本技术与原理- 测量
LiDAR 与摄影测量对比
LiDAR的优势
主动式遥感系统,不依赖天气和光线
数据采集不受太阳偏角、夜晚、略差天气的影响
树冠穿透能力
LiDAR pulses can reach beneath the canopy thus generating measurements of points there unlike photogrammetry.
使用激光测距的原理
脉冲激光:
连续波激光（CW laser）
基本技术与原理-平台
• 为了实现精确的长距离测量，激光脉冲应具备以下特性：
– 大功率: 这样接收器可接收到可用的反射
– 短脉冲长度: 在时间测量方面，不确定性更少 – 高准直度: 因为光斑更小，所以不确定性更少 – 窄光谱: 小的带通滤波器用以减小噪声 – 对人眼安全: 当波长减小时，激光会变得更加危险 – 地物的激光光谱反射性: 这样反射（信号）是可用的.
摄影测量
被动系统. 只能白天采集数据 流程复杂并且有时不可靠 几乎不能测量像森林、冰雪表面、沙滩海岸、 沙丘、沙漠、沼泽及湿地这样的地区
逐点采样 高程精度高于平面精度 点云难以获取语义信息; 然而，强度值能够 用于生产一个类似产品的视觉丰富的影像
全区域覆盖 平面精度由于高程精度 能够从影像中提取丰富的语义信息