机载激光雷达-李德仁
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• 主要由三种类型的扫描原理
– 摇摆扫描镜（oscillating mirror) ，为 Leica ， Optech采用
– 旋转多棱镜（rotating polygon) ，为 Riegl 和IGI采用
– 光纤扫描（fiber scanning)，仅为 TopoSys的 Falcon 系统采用
机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜
共110个功能
软件整体界面
数据检校
检校目的：主要消除激光扫描坐标系与IMU坐标系坐标轴不
平行（安置角误差）引起点云数据的坐标偏移误差
安置角误差示意图
数据检校
检校方法： 利用相互平行和相互交叉的航线，以及不
同航高（高低行高）的点云数据重叠区域同名地物的 坐标不一致性实现设备安置角误差的改正。
检校飞行航线
机载LiDAR研究背景和意义
机载LiDAR是新型航空传 感器。在对地观测领域， 机载LiDAR系统直接获取高精 度的数字表面模型，还可以同 时获取回波、强度等数据为目 标识别、分类提供辅助数据。
其最初目的是为获取高精
度数字表面模型。经一定
处理，获得剔除植被、人
工建筑等以后的数字地面
机载LiDAR系统可以携带航空 多光谱CCD相机，具备了同时 获得多光谱CCD影像的能力，
• 噪声
– 系统误差 – 高的及低的局外点(粗差) – 空洞
机载LiDAR数据精度影响因素
• LiDAR获得的水平和垂直精度和众多因素有关，主 要的有内外两种因素：
GPS＋ IMU（POS）系统和激光系统本身都有自
身的精度限制，此为内因。
外因主要与航线设计、飞行条件、大气条件、地
形起伏因素和植被覆盖有关。 在给定系统误差的情况下，LIDAR获得的三维坐
为后续应用提供了丰富的数据 资源。
模型。应用已经扩大到基
础测绘、林业管理、管线 选线、岛礁测绘、困难地 区测绘等领域
机载LiDAR数据特点
• 数据的密度
– 每平米1个点或更多(0.4xo.4m)
• 数据的精度
– 垂直精度可以达到5-15cm – 平面精度可以达到10-75cm
• 数据的分布
– 扫描带重叠区域数据密度高 – 一个扫描内点的间距很小，而 扫描线之间点的间距却较大 – 采样模式和地形起伏对数据的 分布也有影响
标精度可以看做是地形和植被覆盖的函数。
AeroScan System Accuracy
0.800
LeicaASL50
horizontal (75)
Estimated Accuracy @ FOV edge (m, 1 sigma)
0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0
•
经过3年的研发，已经具备商品化、产业化的条件。已经
在包括陕西测绘局、甘肃测绘局、北京东方道迩等单位在 内的 LiDAR数据加工部门推广使用.
武大自主研发LiDAR数据处理软件
• 机载LiDAR数据的多视角与多专题可视化 • 生产作业工程的管理和数据批处理 • 用户二次开发插件无缝集成 • 航线设计以及航线管理器 • 机载LiDAR数据的整体平差与拼接处理 • 机载LiDAR数据滤波自动滤波、分类及相应的人工编辑工具 • 机载LiDAR点云数据与影像的配准/融合分类 • 基础测绘应用模块（包括：基于点云的DEM和等高线生产、 POS数据预处理/正 射影像生成模块） • 基于点云的植被结构参数提取 • 基于点云的建筑物提取和三维建模 • 波形数据分析与处理、基于点云数据的简单三维线划图生成
数据检校-以翻滚角为例
原理
航飞方向
Z
Roll
h
r
航飞方向
roll
Y
图1 翻滚角影响
图2 翻滚角与航带间高差关系示意图
翻滚角绕飞行方向（X轴）旋转，其误差未消除时，观测得到的水平地表 与真实水平地表存在大小与翻滚角相近的夹角，两者间高差 与点和航带 中心的水平距离r成线性关系，如图1所示（实线代表真实水平地表）。 因此，对同航高来回飞行的两航带，其同名水平地表间高程差是 的两倍。 由图 2对翻滚角改正值有：
1st (仅一次) 从地面返回
从树枝 3rd返回 从地面
机载LiDAR多次回波信息-房屋
1st 返回 从房顶
2nd 返回
1st (仅一次) 从地面返回 从房檐 3rd返回 从地面
传统遥感传感器是地表的二维成像
全数字波形分析概念
离散回波记录
连续波回波记录
机载LiDAR分类
针对大气应用：大气圈层结构
优点： •扫描角度可以调节 •较高的数据获取航高 缺点：
•扭矩、加速度、机器磨损
引起误差
两个摆动方向而产生对于地面
的双向扫描，在地面上形成Z 形扫描线
•扫描条带两边的点密集，
而中间的点少
机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜
密度最均匀情况
密度最不均匀情况
• 比较适合于精度要求不太高，而测量面积又比较大的应用场合 • 设备要经常进行检校，使用时间过长后，精度受影响较大
h/2 r
得到翻滚角检校值
自主软件用于基础测绘的实际生产成果 －－以敦煌数据为例
敦煌市郊 沙漠河道 DEM DSMDEM 敦煌市郊 沙丘DEM
自主软件用于三维矢量建模 -三维树木精细模型
三维树木精细模型 （加入树叶和树干 纹理，添加光照）。 这是我们的成果
这是TerraSolid树建模 模块的成果
机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪
优点：
•扫描点是均匀分布的
•旋转较扭矩式磨损少，设备能保 持长期的可靠性和稳定性
缺点：
•视场角不可调节 •不适合较高的航高获取数据 旋转正多面体扫描镜只有一个旋转 方向，其每个表平面都按同一方向
扫描，在地面形成单向扫描平行线
机载 LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪
Peak detected by SLICER algorithm
Detected by our algorithm
more comparison
• 二、机载LiDAR与光学影像的联合处理
目的、意义
• 机载LiDAR点云数据具有较高的高程精度，但缺乏光谱、
纹理信息 • 单片或单景高分辨率影像具有较高的平面精度，但是缺乏 高程信息 • 必须立体相对，才能获得高程。在困难地区，即使有立体
点云数据分布均匀
机载LiDAR扫描原理-光纤扫描仪
优点：
•是发射光路和接受光路一一对应，激光发 射频率不受航高视场角约束 •点云数据密度均匀（同旋转正多面体扫描 仪）
缺点：扫描角固定
•数据获取范围小 •要求飞机平台低速飞行 激光束固定的纤维线阵
机载LiDAR多次回波信息-树木
1st 返回 从树顶 2nd 返回
激光雷达
航空测绘应用：地形测量 地面激光雷达：近地面三维建模
在测绘领域中，所谈的机载激光雷达大部分指用于地形测绘用的机载
激光雷达系统 • 事实上，机载LiDAR系统有陆地和海洋之分。海洋LiDAR是为了测量 海底地形而研制的，主要为国外的军方使用，我们通常说的机载 LiDAR主要操作于陆地上，为获取陆地DEM数据而研制的。 • LIDAR系统的操作平台主要为飞机。一般航摄飞机、直升机都可以搭 载 LIDAR。美国NASA开始在卫星上搭载LiDAR，他们发射的ICEsat 卫星上就有LiDAR系统。
相对也难以获得较高的高程精度
• 融合LiDAR点云和高分辨率光学影像，是三维可视化、地
物三维提取、三维线划图（3D DLG）提取的有效途径
传统摄影测量与LIDAR系统比较
摄影测量 被动式测量 采用覆盖整个摄影区域 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比较成熟 可利用的传感器类型很多(多光谱，线阵CCD) 飞行计划相对简单 主动式测量 逐点采样 直接获取地面三维坐标 能够识别比激光斑点小的物体，如输电线 等 新技术需不断发展，具有很大发展潜力 可供选择传感器类型较少 飞行计划相对复杂，要求较苛刻 LIDAR系统
员单薄；在国内市场虽有用户基础，但相对于遥感软 件、GIS软件，还相当薄弱
• 其它国外软件，基本上不具备商品化
我国自主研发的LiDAR数据处理软件
• 2006年，国家十二五863的第一年，以武汉大学牵头、联 合国内相关优势单位的技术力量，获得目标导向类资助， 从底层开始，研发具有自主知识产权的机载LiDAR数据处 理软件。周期三年;
LiDAR原理,技术与应用
武汉大学 李德仁 院士 2010年7月23日, 青岛
主要内容
一、机载LiDAR原理,技术与应用 二、机载LiDAR与光学影像的联合处理 三、基于光学成像和激光雷达技术的移动 测量系统 四、地面LiDAR及在文物保护中的应用 五、结束语
一、机载LiDAR原理
激光回波测距原理
Roll arctan h / 2 r
自主软件用于数据检校-以翻滚角为例
利用检校值改正点云
r
量测剖面到航带中心的距离r
通过航带管理器获取点云的航带号信息 翻滚角误差导致的航带间高差 选择同航高来回飞行的两条带数据
检校改正后两航带高差基本消除 量测航带高程差 h 选择重叠区平地拉一剖面 由 Roll arctan
horizontal (45) vertical (75) vertical (45)
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Flying Height (m AGL)
飞 行 高 度 和 精 度 、 扫 描 角 度 关 系
机载LiDAR的重要参数 • 常见参数：
• • • • 飞行高度：依据测区地物反射率 水平精度、垂直精度 回波次数 /是否有全波形数字化仪 强度信息量化级别：一般8 -- 12bits
飞行的最低航高也越大
机载 LiDAR数据一般处理流程（含车载）
飞行
数据记录 航线 设计
数据处理
可视化处理
数据预处理 和质量检测 DSM DTM Orthoimage + DTM or DSM
飞行 控制
数据 存储
地面 LiDAR获得的数据格式和数据性质和机载、车载完全一样。但地 面无需POS系统，因此处理步骤相对简单
GPS & INS Position.
由回波测距测量距离、由POS系统测量飞机姿态和激光束扫描角度，即 可以获得激光束在地面撞击点的三维坐标。该装置安置在卫星、飞机和 汽车上，分别为星载、机载和车载激光雷达。地面LiDAR无需POS系统 。
机载LiDAR扫描原理
• 上述激光测距系统，只能测量单点的三维空间坐 标。要进行面状测量，必须要加入扫描装置
LiDar 数据处理
基于EM（方差极大算法）的全波形数 据波形分解：decomposition of fullwave form data with Expectation Maximum
试验研究
SLICER data (NASA)
使用的数据是 SLICER在一片植被覆盖地 区采集到的， SLICER的波形数据是 .dat格式 的二进制文件，每一个波形有600个采样，采 样间的距离为 0.1112米。在数据里还有激光发 射的方位角、倾斜角，检测到的最高物体表面 的经纬度和高程等信息。
激光是具有大功率、高度方向性的光束。激光回波测距的原 理是由激光器发射激光并接收回波，加上一个能记录激光发
射和接收时间点的计时器，就很容易的通过以下公式得到距
离： R 1 ct L
2
Clock Sensor Head
Return
Target
机载LiDAR数据采集原理
ห้องสมุดไป่ตู้Distance
Result: XYZ Pos. in WGS84 坐标系
•
发射和扫描频率：发射频率200 -- 400KHz，扫描频率
一般为几十Hz
•
扫描角度：最大可达± 75°，实用中，一般为±45°
机载LiDAR的重要参数
• 常见参数：
• • • • • • 翻滚角度补偿（Roll Compensation） POS：常用的有Applanix、 IGI、Honeywell等公司从产品，定 姿精度0.0025 -- 0.005°之间 激光点分布模式：均匀分布或Z字形分布 数据存储设备：一般商业系统支持10小时以上的连续飞行 光斑直径（用毫弧度表示）：决定水平精度。1000米相对航高时， 对应地面直径一般在10cm -- 50cm不等 激光安全等级：影响最低航高。安全等级越低，对人的危险越大，
LiDAR数据处理软件
• 目前的数据处理软件，大多数是设备生产厂家根据自己的 设备而开发的，没有象遥感数据处理那样的通用平台。芬 兰 Terrasolid公司的软件是一个商业化的软件，但是必须
在 Microstation上运行
–优点：研发较早，有成熟的用户基础，商品化程度高 –缺点：二次开发产品、没有强大的算法支持队伍，人
– 摇摆扫描镜（oscillating mirror) ，为 Leica ， Optech采用
– 旋转多棱镜（rotating polygon) ，为 Riegl 和IGI采用
– 光纤扫描（fiber scanning)，仅为 TopoSys的 Falcon 系统采用
机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜
共110个功能
软件整体界面
数据检校
检校目的：主要消除激光扫描坐标系与IMU坐标系坐标轴不
平行（安置角误差）引起点云数据的坐标偏移误差
安置角误差示意图
数据检校
检校方法： 利用相互平行和相互交叉的航线，以及不
同航高（高低行高）的点云数据重叠区域同名地物的 坐标不一致性实现设备安置角误差的改正。
检校飞行航线
机载LiDAR研究背景和意义
机载LiDAR是新型航空传 感器。在对地观测领域， 机载LiDAR系统直接获取高精 度的数字表面模型，还可以同 时获取回波、强度等数据为目 标识别、分类提供辅助数据。
其最初目的是为获取高精
度数字表面模型。经一定
处理，获得剔除植被、人
工建筑等以后的数字地面
机载LiDAR系统可以携带航空 多光谱CCD相机，具备了同时 获得多光谱CCD影像的能力，
• 噪声
– 系统误差 – 高的及低的局外点(粗差) – 空洞
机载LiDAR数据精度影响因素
• LiDAR获得的水平和垂直精度和众多因素有关，主 要的有内外两种因素：
GPS＋ IMU（POS）系统和激光系统本身都有自
身的精度限制，此为内因。
外因主要与航线设计、飞行条件、大气条件、地
形起伏因素和植被覆盖有关。 在给定系统误差的情况下，LIDAR获得的三维坐
为后续应用提供了丰富的数据 资源。
模型。应用已经扩大到基
础测绘、林业管理、管线 选线、岛礁测绘、困难地 区测绘等领域
机载LiDAR数据特点
• 数据的密度
– 每平米1个点或更多(0.4xo.4m)
• 数据的精度
– 垂直精度可以达到5-15cm – 平面精度可以达到10-75cm
• 数据的分布
– 扫描带重叠区域数据密度高 – 一个扫描内点的间距很小，而 扫描线之间点的间距却较大 – 采样模式和地形起伏对数据的 分布也有影响
标精度可以看做是地形和植被覆盖的函数。
AeroScan System Accuracy
0.800
LeicaASL50
horizontal (75)
Estimated Accuracy @ FOV edge (m, 1 sigma)
0.700 0.600 0.500 0.400 0.300 0.200 0.100 0.000 0
•
经过3年的研发，已经具备商品化、产业化的条件。已经
在包括陕西测绘局、甘肃测绘局、北京东方道迩等单位在 内的 LiDAR数据加工部门推广使用.
武大自主研发LiDAR数据处理软件
• 机载LiDAR数据的多视角与多专题可视化 • 生产作业工程的管理和数据批处理 • 用户二次开发插件无缝集成 • 航线设计以及航线管理器 • 机载LiDAR数据的整体平差与拼接处理 • 机载LiDAR数据滤波自动滤波、分类及相应的人工编辑工具 • 机载LiDAR点云数据与影像的配准/融合分类 • 基础测绘应用模块（包括：基于点云的DEM和等高线生产、 POS数据预处理/正 射影像生成模块） • 基于点云的植被结构参数提取 • 基于点云的建筑物提取和三维建模 • 波形数据分析与处理、基于点云数据的简单三维线划图生成
数据检校-以翻滚角为例
原理
航飞方向
Z
Roll
h
r
航飞方向
roll
Y
图1 翻滚角影响
图2 翻滚角与航带间高差关系示意图
翻滚角绕飞行方向（X轴）旋转，其误差未消除时，观测得到的水平地表 与真实水平地表存在大小与翻滚角相近的夹角，两者间高差 与点和航带 中心的水平距离r成线性关系，如图1所示（实线代表真实水平地表）。 因此，对同航高来回飞行的两航带，其同名水平地表间高程差是 的两倍。 由图 2对翻滚角改正值有：
1st (仅一次) 从地面返回
从树枝 3rd返回 从地面
机载LiDAR多次回波信息-房屋
1st 返回 从房顶
2nd 返回
1st (仅一次) 从地面返回 从房檐 3rd返回 从地面
传统遥感传感器是地表的二维成像
全数字波形分析概念
离散回波记录
连续波回波记录
机载LiDAR分类
针对大气应用：大气圈层结构
优点： •扫描角度可以调节 •较高的数据获取航高 缺点：
•扭矩、加速度、机器磨损
引起误差
两个摆动方向而产生对于地面
的双向扫描，在地面上形成Z 形扫描线
•扫描条带两边的点密集，
而中间的点少
机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜
密度最均匀情况
密度最不均匀情况
• 比较适合于精度要求不太高，而测量面积又比较大的应用场合 • 设备要经常进行检校，使用时间过长后，精度受影响较大
h/2 r
得到翻滚角检校值
自主软件用于基础测绘的实际生产成果 －－以敦煌数据为例
敦煌市郊 沙漠河道 DEM DSMDEM 敦煌市郊 沙丘DEM
自主软件用于三维矢量建模 -三维树木精细模型
三维树木精细模型 （加入树叶和树干 纹理，添加光照）。 这是我们的成果
这是TerraSolid树建模 模块的成果
机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪
优点：
•扫描点是均匀分布的
•旋转较扭矩式磨损少，设备能保 持长期的可靠性和稳定性
缺点：
•视场角不可调节 •不适合较高的航高获取数据 旋转正多面体扫描镜只有一个旋转 方向，其每个表平面都按同一方向
扫描，在地面形成单向扫描平行线
机载 LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪
Peak detected by SLICER algorithm
Detected by our algorithm
more comparison
• 二、机载LiDAR与光学影像的联合处理
目的、意义
• 机载LiDAR点云数据具有较高的高程精度，但缺乏光谱、
纹理信息 • 单片或单景高分辨率影像具有较高的平面精度，但是缺乏 高程信息 • 必须立体相对，才能获得高程。在困难地区，即使有立体
点云数据分布均匀
机载LiDAR扫描原理-光纤扫描仪
优点：
•是发射光路和接受光路一一对应，激光发 射频率不受航高视场角约束 •点云数据密度均匀（同旋转正多面体扫描 仪）
缺点：扫描角固定
•数据获取范围小 •要求飞机平台低速飞行 激光束固定的纤维线阵
机载LiDAR多次回波信息-树木
1st 返回 从树顶 2nd 返回
激光雷达
航空测绘应用：地形测量 地面激光雷达：近地面三维建模
在测绘领域中，所谈的机载激光雷达大部分指用于地形测绘用的机载
激光雷达系统 • 事实上，机载LiDAR系统有陆地和海洋之分。海洋LiDAR是为了测量 海底地形而研制的，主要为国外的军方使用，我们通常说的机载 LiDAR主要操作于陆地上，为获取陆地DEM数据而研制的。 • LIDAR系统的操作平台主要为飞机。一般航摄飞机、直升机都可以搭 载 LIDAR。美国NASA开始在卫星上搭载LiDAR，他们发射的ICEsat 卫星上就有LiDAR系统。
相对也难以获得较高的高程精度
• 融合LiDAR点云和高分辨率光学影像，是三维可视化、地
物三维提取、三维线划图（3D DLG）提取的有效途径
传统摄影测量与LIDAR系统比较
摄影测量 被动式测量 采用覆盖整个摄影区域 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比较成熟 可利用的传感器类型很多(多光谱，线阵CCD) 飞行计划相对简单 主动式测量 逐点采样 直接获取地面三维坐标 能够识别比激光斑点小的物体，如输电线 等 新技术需不断发展，具有很大发展潜力 可供选择传感器类型较少 飞行计划相对复杂，要求较苛刻 LIDAR系统
员单薄；在国内市场虽有用户基础，但相对于遥感软 件、GIS软件，还相当薄弱
• 其它国外软件，基本上不具备商品化
我国自主研发的LiDAR数据处理软件
• 2006年，国家十二五863的第一年，以武汉大学牵头、联 合国内相关优势单位的技术力量，获得目标导向类资助， 从底层开始，研发具有自主知识产权的机载LiDAR数据处 理软件。周期三年;
LiDAR原理,技术与应用
武汉大学 李德仁 院士 2010年7月23日, 青岛
主要内容
一、机载LiDAR原理,技术与应用 二、机载LiDAR与光学影像的联合处理 三、基于光学成像和激光雷达技术的移动 测量系统 四、地面LiDAR及在文物保护中的应用 五、结束语
一、机载LiDAR原理
激光回波测距原理
Roll arctan h / 2 r
自主软件用于数据检校-以翻滚角为例
利用检校值改正点云
r
量测剖面到航带中心的距离r
通过航带管理器获取点云的航带号信息 翻滚角误差导致的航带间高差 选择同航高来回飞行的两条带数据
检校改正后两航带高差基本消除 量测航带高程差 h 选择重叠区平地拉一剖面 由 Roll arctan
horizontal (45) vertical (75) vertical (45)
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Flying Height (m AGL)
飞 行 高 度 和 精 度 、 扫 描 角 度 关 系
机载LiDAR的重要参数 • 常见参数：
• • • • 飞行高度：依据测区地物反射率 水平精度、垂直精度 回波次数 /是否有全波形数字化仪 强度信息量化级别：一般8 -- 12bits
飞行的最低航高也越大
机载 LiDAR数据一般处理流程（含车载）
飞行
数据记录 航线 设计
数据处理
可视化处理
数据预处理 和质量检测 DSM DTM Orthoimage + DTM or DSM
飞行 控制
数据 存储
地面 LiDAR获得的数据格式和数据性质和机载、车载完全一样。但地 面无需POS系统，因此处理步骤相对简单
GPS & INS Position.
由回波测距测量距离、由POS系统测量飞机姿态和激光束扫描角度，即 可以获得激光束在地面撞击点的三维坐标。该装置安置在卫星、飞机和 汽车上，分别为星载、机载和车载激光雷达。地面LiDAR无需POS系统 。
机载LiDAR扫描原理
• 上述激光测距系统，只能测量单点的三维空间坐 标。要进行面状测量，必须要加入扫描装置
LiDar 数据处理
基于EM（方差极大算法）的全波形数 据波形分解：decomposition of fullwave form data with Expectation Maximum
试验研究
SLICER data (NASA)
使用的数据是 SLICER在一片植被覆盖地 区采集到的， SLICER的波形数据是 .dat格式 的二进制文件，每一个波形有600个采样，采 样间的距离为 0.1112米。在数据里还有激光发 射的方位角、倾斜角，检测到的最高物体表面 的经纬度和高程等信息。
激光是具有大功率、高度方向性的光束。激光回波测距的原 理是由激光器发射激光并接收回波，加上一个能记录激光发
射和接收时间点的计时器，就很容易的通过以下公式得到距
离： R 1 ct L
2
Clock Sensor Head
Return
Target
机载LiDAR数据采集原理
ห้องสมุดไป่ตู้Distance
Result: XYZ Pos. in WGS84 坐标系
•
发射和扫描频率：发射频率200 -- 400KHz，扫描频率
一般为几十Hz
•
扫描角度：最大可达± 75°，实用中，一般为±45°
机载LiDAR的重要参数
• 常见参数：
• • • • • • 翻滚角度补偿（Roll Compensation） POS：常用的有Applanix、 IGI、Honeywell等公司从产品，定 姿精度0.0025 -- 0.005°之间 激光点分布模式：均匀分布或Z字形分布 数据存储设备：一般商业系统支持10小时以上的连续飞行 光斑直径（用毫弧度表示）：决定水平精度。1000米相对航高时， 对应地面直径一般在10cm -- 50cm不等 激光安全等级：影响最低航高。安全等级越低，对人的危险越大，
LiDAR数据处理软件
• 目前的数据处理软件，大多数是设备生产厂家根据自己的 设备而开发的，没有象遥感数据处理那样的通用平台。芬 兰 Terrasolid公司的软件是一个商业化的软件，但是必须
在 Microstation上运行
–优点：研发较早，有成熟的用户基础，商品化程度高 –缺点：二次开发产品、没有强大的算法支持队伍，人