LIDAR基础知识

LIDAR在测绘中的应用
激光雷达的应用
应用
1.跟踪 2.成像制导 3.三维视觉系统 4.测风 5.大气环境监测 6.主动遥感
应用
LIDAR在测绘中的应用
激光雷达的应用前景
1.侦察用成像激光雷达 2.障碍回避激光雷达 3.大气监测激光雷达 4.制导激光雷达 5.化学/生物战剂探测激光雷达 6.水下探测激光 7.空间监视激光雷达 8.机器人三三维视觉系统 9.其他军用激光雷达
概念
激光雷达(LADAR-Laser Detection AndRanging) 是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器 件，以光学望远镜为天线的雷达。 早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetection And Ranging),这里所谓的光实际上是指激光。现在 ， 普遍采用LADAR这个术语，以区别于原始而低级的 LIDAR。 以后世界上陆续提出并实现: 激光多普勒雷达、激光 测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼
LIDAR在测绘中的应用
基础测绘的实施
DOM是在DEM提供精确的地形信息的前 提
下，进行数字微分纠正得到的，而机载
LIDAR技术提取的地面三维坐标，完 全
满足高精度影像微分纠正的需要，使得
DOM 的生产变得相当容易。
此外，高精度的激光点云数据还直观反
应用
映植被和地物的三维信息，利用这些资
源，DLG地形地物的判读和量测更加准
ห้องสมุดไป่ตู้
激 光
方向性好、单色性好、相干性好
激光器到反射物体的距离(d)=光速(c)×时间 (t)/2
测高原理
原理
结合GPS得到的激光器位置坐标信息， INS得到的激光方向信息，可以准确地计 算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z， 大量的激光点聚集成激光点云，组成点 云图像。
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LIDAR
激光雷达技术
概念
“雷达”(RADAR-Radio Detection AndRanging)。 传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，
大约出现1935年左右。 最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美 国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天 飞行器交会对接，并研制出原理样机;1978年美 国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激 光雷达.
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
三维建筑物的可视化
先对DEM和数字建筑物模型惊醒着色处理，再把 真正射影像按照坐标精确叠加到地面模型和建 筑物模型的顶部，这样地表和建筑物的顶部都 被贴上了真正射影像的纹理，从而形成了可视 化的三维建筑物模型
三维 建模
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
1.弹道导弹防御激光雷达 2.靶场测量激光雷达 3.振动遥测激光雷达 4.多光谱激光雷达
LIDAR在测绘中的应用
快速获取数字高程模型
LIDAR技术最主要的数据产品是高密度 、高精度的激光点云数据，该数据直 接反映点位的三维坐标。通过自动或 人工交互处理，把入射到植被、房屋 、建筑物等非地形目标上的点云进行 应用分类、滤波或去除，然后构建不规则 三角网TIN，就可以快速提取DEM。
技术。
按不同信号形式
分类
①脉冲 ②连续波 ③每一类中又有不同的信号波形。
按不同探测方式
①直接探测（能量探测） ②相干探测（外差探测）
按不同功能
分类
①跟踪雷达(测距和测角) ; ②测速雷达(测量多普勒信息) ; ③动目标指示雷达(目标的多普勒信息) ; ④成像雷达(测量目标不同部位的反射强度和距离 等信号) ; ⑤同差分吸收雷达(目标介质对特定频率光的吸收 强度) 等。
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
提取建筑物模型并生成真正射影像
三维 建模
取地面激光点云和建筑物点云的平均高程值分别 赋给建筑物顶部轮廓和根部角点，经过顶部轮廓 和地面角点连线后建立起包括建筑物顶部、底部 、房檐、侧面的三维数字建筑物模型
将DEM与数字建筑物模型叠加，经过正射纠正技术 消除地形起伏和建筑物带来的投影差，制作出真 正射影像
LIDAR在测绘中的应用
水下地形测量
有些LIDAR系统，采用了两种不同波长 的激光束还可以对水底进行测量。比 如，SHOALS系统在采用红光(或红外光 )测量水面的同时，用蓝绿光穿透水面 测量水底，通过这两个光束的接收时 间差计算水的深度，因此可以进行大 应用 面积的水下地形测量。
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
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原理
④光学扫描器 多面体扫描器，利用多面体(6-12面)
的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度 高，缺点是体积大、价格高;
检流计式振镜扫描器，扫描角<15°; 声子偏转器，利用声光效应使入射光线 产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫 描角不大，一般在±3°左右 压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的 新型扫描器 全息光栅扫描器 光学相位扫描 MEMS扫描器
原理
激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每 秒几万个脉冲，接收器将会在一分钟内记 录六十万个点。很多LADAR系统还能记录 同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在 树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更 多的树叶上，有些甚至打在地面上被返回 ，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、 Z坐标的点记录，并分层表示。利用这个 特点，我们可以通过分类和滤波处理，获 取地面高程，以及树高及建筑物的高度等 信息。
三维 建模
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
提取建筑物模型并生成真正射影像
三维 建模
利用DEM纠正消除地面的投影误差获得DOM
加载DOM，人工寻找建筑物，在已分类的激光点 云上大致选取轮廓
利用软件程序自动探测此建筑物的激光点云并 建立其顶部的矢量轮廓，手工编辑调整使其与 DOM上的建筑物顶部完全吻合
三维 建模
谢谢！
激光点云数据的处理
三维 建模
设置绝对高程的限差值过滤非地形回波的噪音点 分类低于平均地面的错误点——低点 设置最大建筑物的尺寸、地形角等来分类地面点 过滤出低于真实地表的点
利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型
数字高程模型的生成
从分类的地面点中提取代表地形特征的 模型关键点以构建地面三角网(TIN)的形式来 生成DEM。
地面三维激光扫描技术
分类
它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合，对 目标物进行扫描成像，获取激光反射回波数据和目 标表面影像，并在软件支持下构建三维数字模型和 纹理的精确贴加，从而达到目标物快速、有效、精 确的三维立体建模。
分类
机载激光雷达扫描技术
分类
该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU(惯性制 导仪)和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物 的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生 成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取 提供精确的数据源。
散射激光雷达、微脉冲
概念
LIDAR（激光测距技术）是一种集激光、全球定位系
概念
激光LIDAR与微波LIDAR的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波 雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构 上有许多相似之处 工作频率由无线电频段改变成了光频段 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波 天线由光学望远镜代替; 接收通道中微波雷达可以直 接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处 理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成 电信号后进行处理。 信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟
确，数据的采集变得更加容易。
LIDAR在测绘中的应用
精密工程测量
应用
很多精密工程测量，都需要采集测量目标的高 精度三维坐标信息，甚至需要建立精确的三维 物体模型，比如：电力选线、矿山和隧道测量 、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量 、文物考古等行业。
LIDAR在测绘中的应用
数字城市建设
应用
LIDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字 地面模型和数字正射影像，提供了构建数字 城市最宝贵的空间信息资源，因此是数字城 市建设的重要技术力量。
Business template 原理
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原理
优点： 工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。激 光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频 率非常高，因而速度分辨率极高。 工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。 有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲(纳 秒至飞秒量级)，以实现高精度(可达厘米量 级) 测距。 能量高度集中。用很小的准直孔径(10cm左右 ) 即可获得很高的天线增益和极窄的波束 (1mrad左右)而且无旁瓣，因而可实现高精度 测角(优于0.1mrad)单站定位、低仰角跟踪和 高分辨率三维成像，且不易被敌方截获，自 身隐蔽性强。 单色性和相干性好。气体激光器的谱线宽度 可达10-3~10-4nm,而且频率稳定度能做得很 高，可实现高灵敏度外差接收。
分类
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原理
组成
①激光器 激光器是激光雷达的核心器件。激光器
种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光 器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加 以综合考虑，其中包括: 波长、大气传输 特性、功率、信号形式、功率要求、平台 限制(体积、重量和功耗)、 对人眼安全 程度、、可靠性、成本和技术成熟程度等 。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光 器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极 管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
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原理
②光电探测器 适合于激光雷达用的光电探测器主要有
PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、 光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏 碲镉汞探测器 ③光学天线
透射式望远镜(开普勒、伽利略) 反射式望远镜(牛顿式、卡塞哥伦) 收发合置光学天线 收发分置光学天线 自由空间光路全 光纤光路下 波片(四分之一、二分之一) 分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片