LiDAR基础知识
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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
基本技术与原理
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
• 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
•
扫描激光器发射-接收单元
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：
• 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。
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
wenku.baidu.com
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 。
• 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
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
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
ALS40 LiteMapper2800 ALS50I LiteMapper5600 Optech ALTM3100 Toposys FALCONII ALS50II ALS50II ALS50II
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
国家
产品
Optech International Inc 加拿大 ALTM Gemini,ALTM Orion
Leica Geosystems Riegl
美国 澳大利亚
ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
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)。
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。
– 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.
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
工作原理
基本技术与原理- 测量
• 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。
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。
德国
Harrier 56/G4,Falcon II
IGI
德国
LiteMapper
5大商业供应商
供应商
商业系统
Leica ALS60
产品
Trimble Harrier 56
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 中国海监北海支队 广西桂能信息工程公司 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
• 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!
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。
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
基本技术与原理
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
• 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
•
扫描激光器发射-接收单元
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：
• 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。
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
wenku.baidu.com
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 。
• 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
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
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
ALS40 LiteMapper2800 ALS50I LiteMapper5600 Optech ALTM3100 Toposys FALCONII ALS50II ALS50II ALS50II
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
国家
产品
Optech International Inc 加拿大 ALTM Gemini,ALTM Orion
Leica Geosystems Riegl
美国 澳大利亚
ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
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)。
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。
– 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.
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
工作原理
基本技术与原理- 测量
• 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。
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。
德国
Harrier 56/G4,Falcon II
IGI
德国
LiteMapper
5大商业供应商
供应商
商业系统
Leica ALS60
产品
Trimble Harrier 56
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 中国海监北海支队 广西桂能信息工程公司 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
• 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!
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。