激光测量原理及应用(2007)

高度
2 2 2 2 2 mP mxc m yc mxs m ys
2 2 2 mH mzc mzs
3、激光扫描数据的基本处理方法
• 3.1 激光扫描数据的三维构网（２Ｄ和３Ｄ
三角网） • 3.2 激光扫描数据的滤波 • 3.3 激光扫描数据特征提取 • 3.4 多帧数据的自动拼接 • 3.5 机载和地面数据的集成处理
• 四叉树
4.2 基于点云的可视化
4.2 基于点云的可视化
5、地物信息提取
• 5.1 DEM提取 • 5.2 建筑物提取 • 5.3 植被提取 • 5.4 道路提取
5.1 DEM提取
• 已有大量的文献提出了各种滤波算法从点云中提取 •
•
DTM/DEM，但这些方法只能处理某种特点的数据，不能 适用于综合的地理环境，没有通用性。 在进行LIDAR 数据处理时，一个必要的前提就是给定一个 规则来区分地面点和非地面点，这就是滤波算法的假设条 件，不同的算法的假设条件不同 为了提高提取精度，除了LIDAR 的强度信息外，有些算法 还使用了其他供辅助信息，如：光谱图像和GIS、地图等 信息。
激光扫描系统采集及处理一般流程框图
数据采集
预处理
三维操作 数据处理 相关量算
2、激光扫描基本原理和特点
• 2.1 基本原理 • 2.2 激光扫描三维测量系统
机载激光扫描系统 车载激光扫描系统
• 2.3 激光扫描的误差来源与精度提高
基本原理 --什么是激光
• 受激辐射光放大（light amplification by
等)形成的数据，这些数据在数据的配准中有相当大wenku.baidu.com响
3.2 激光扫描数据的滤波—航空测量系统
主要的一些滤波方法： • 数学形态学 ������ Lindenberger [1993] – multiple openings ������ Kilian, Haala, and Englich [1996] – weighted multiple openings ������ Vosselman [2000] – slope based filtering • 最小二乘插值法 ������ Pfeifer, Köstli, and Kraus [1998] • 三角构网法 ������ Axelsson [1999]
----自动化程度低；
1 技术背景—
传统的摄影测量与遥感存在的问题
• 摄影测量复杂程度高，立体观测仪器设备非常昂贵，操作
人员需有较高技巧，生产成本高且费时；
• 对天气、能见度等自然条件要求高；
• 卫星遥感方法由于卫星轨道、飞行周期等原因，在特定地
方、特定时间，应用遥感技术机会不多；
• 多光谱技术、雷达干涉技术。
2.3 激光扫描的误差来源与精度提高
• 1.偶然误差：
2 2 2 2 m 2 mxc cos mL L sin 2 2 2 2 m 2 m 2 m yc L cos 2 L sin 2 2 2 2 2 m 2 mzc sin mL L cos 2
3.4 多帧数据的自动拼接 –固定点激光
拼接前
拼接后
3.4 多帧数据的自动拼接 –室内
拼接前
拼接后
3.5 机载和地面数据的集成处理
• 机载数据的特点
主要是获取地面DEM，以及建筑物的顶部， 对于建筑物的立面信息，则无法获取。 • 地面数据的特点 主要获取建筑物的立面信息，以及一些相 关物体的细节，可以和机载数据形成互补。
GPS Reference System platform
One pilot
GPS Data Survey Data
车载激光测量系统构成及原理
• 由多源传感器集成，一般包括： • 1. CCD CAMERA • 2. DGPS（全球定位系统） • 3. INS/IMU/POS/ • 4. Laser Scanner（激光扫描仪）
(1)
1.2 激光扫描三维测量系统
• 机载系统 • •
◆ 数据获取设备: 激光扫描仪 CCD数字相机 ◆ 定位设备：DGPS INS 地面系统 激光扫描仪姿态参数可一次性测定 车载系统 ◆ 数据获取设备: 激光扫描仪 CCD数字相机 ◆ 定位设备：DGPS IMU DMI ◆汽车运行轨迹已知且激光扫描仪到地面的高 度已知且固定不变
3.5 机载和地面数据的集成处理
地面激光
机载激光
4、激光扫描数据的三维可视化
• 4.1 基于三角网的可视化
是构成面状模型的可视化（包括体状目标），包括建 筑物模型、地面模型等，得到具有一定纹理、光照或者运 动效果的场景；
• 4.2 基于点云的可视化
是单纯的点云数据的可视化，包括点云高程着色、分 类着色、强度显示等。
机载激光测量系统构成
由多源传感器集成，一般包括： 1. CCD
2. GPS（全球定位系统）
3. INS/IMU/POS
4. Laser Scanner（激光扫
描仪）
机载系统构成实例图
• INS 平台
机载激光测量原理
机载扫描
扫描轨迹
机载激光测量原理
机载激光测量定位原理
机载激光测量过程
Survey Area/Object Accuracy Flight Lines GPS Data
stimulated emission of radiation, laser）
• 三要素：泵浦、增益介质、谐振腔
• 三性：方向性、单色性、相干性 • 固体、气体、化学、液体… …
激光测量扫描原理
工作原理
---- 由激光发射器、接收器、 时间计数器、微电脑 Time of Flight ---- 成象为“点云”，据此
1 技术背景--传统测绘手段存在问题
1. 工程测量
需要人工跑点 采样点少，不能准确描述目标特征 效率低，劳动强度大 精度差 费用高，时间长
1 技术背景—
传统的摄影测量与遥感存在的问题
摄影测量法能较快地获取大面积目标信息，但也会
有以下问题：
----两点同步困难；
----影象匹配困难；
----数据处理复杂；
1 技术背景
应用需求
快速准确地获取信息及正确 处理信息是遥感与GIS发展的瓶 颈问题。 数字技术 地->空 点对点
策略
空-〉地
无合作目标
激光测量技术
国内外激光扫描技术研究现状
各类型激光传感器的发展
• 1D激光测距；
• 2D激光扫描； • 3D激光扫描；
• 多传感器的集成。
国外激光扫描技术研究现状
3.1 激光扫描数据的三维构网—2D
3.1 激光扫描数据的三维构网—2D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.1 激光扫描数据的三维构网—3D
3.2 激光扫描数据的滤波—车载测量系统
要滤除的数据主要分为三类：
• 滤除无效数据，主要是超出量程的数据。 • 去除粗大误差。 • 去除一些ghost数据，主要是移动目标(行人、车辆、飞鸟
第7章教学安排
1. 技术背景及发展现状 2. 激光扫描基本原理和特点 3. 激光扫描数据的基本处理方法
4. 激光扫描数据的三维可视化
5. 地物信息提取
6. 激光扫描数据与影像数据的集成处理
7. 其它应用 8.车载系统系统专题介绍
1 技术背景--应用需求
• 快速获取大面积目标空间信息；
• 及时测定形体表面立体信息； • 目标的非接触式测量； • 直接，高效地获取物体的三维坐标；
3.3激光扫描数据特征提取—折线类型
edge type
Jump edge Crease edge Curvature edge
type discontinuity in
range Surface normal curvature
continuity in
range Range and surface normal
4.2 基于点云的可视化—常用的技术
• Progressive 渲染技术
• Out-of-Core 技术 • 快速数据裁切技术
是大数据处理中使用的一种渐进式渲染技术 将计算的结果存储在外存上，进行三维渲染和处理时，将数据由 外存调入内存进行渲染处理 数据裁切是大数据可视化中能够减少GPU 绘制数据量的一个重 要方法 四叉树（Quadtree）是在d 维空间中，在每一个维分成两份，从 而形成每一个父节点拥有2d 个子节点的树结构。
4.1 基于三角网的可视化
• 在过去的几十年中，计算机图形学领域对面状模
型的可视化进行了长期而深入的研究，取得了不 少的进展和突破
• 国际上两大著名的图形学年会SIGGRAPH 和
EUROGRAPH 每年都展现出大量的可视化产品和 技术
4.1 基于三角网的可视化
249,412 vertices, 497,342 faces
• 激光扫描生成的DTM的精度主要取决于三个主要
• • • •
因素： 1、the distance－measurement 2、the dynamic orientation (INS) 3、the dynamic position of the sensor (dGPS) 原始激光数据的滤波质量也对激光DTM的质量有 很大影响。可以使用不同的数学模型和算法。
激光扫描系统采集及处理的关键技术
关键技术 硬件及控制技术 空间信息获取技术 色彩信息获取技术 模型重建与可视化
主要包括传感器、扫描装置、 控制模块和其它附件。
数据的获取、预处理、后处理； 计算模型、误差模型、算法
姿态测量与定位
扫描技术是集现代电子、光学、计算机图象 处理、计算机视觉、计算机图形学、软件等技术 为一体的高新技术，相关技术的发展必会引起测 量技术，特别是数据采集技术的巨大发展。
3.4 多帧数据的自动拼接
• 多帧数据的拼接主要发生在车载激光测量系统和地
面激光测量系统中
• 需要拼接的原因是由于单个视角不能获取被测物体
的全貌或者是对一个物体的多次测量
• 多帧数据的拼接主要是基于点云拼接的ICP
（Iterative Closest Points）算法
3.4 多帧数据的自动拼接 –固定点激光
李必军
E-mail: lee@whu.edu.cn
参考书目
一、武汉大学出版社，李清泉等 《三维空间数据的实时获取、建模与可视化》 二、张小红博士论文 《机载激光扫描测高数据滤波及地物提取 》 三、黄先锋博士论文 《利用机载LIDAR 数据重建3D建筑物模型的关键技 术研究》 四、George Vosselman讲义 五、电子期刊网
各类型激光传感器实例图
2D扫描
3D扫描 1D扫描
国外激光扫描技术研究现状
--研究机构
• LS+CCD+DGPS( 以日本东京大学、加拿大
卡尔加里大学为代表) • LIDAR+数字影象+INS+GPS (美国NASA、 瑞典SAAB等机构已研制出商用系统) • LRF+矢量地形图 • 机载激光扫描数据的处理（荷兰代尔夫特 大学 ）
3.3 激光扫描数据特征提取-微分逼近法
Dike profile with break points
First derivative
Second derivative with thresholds
3.3 激光扫描数据特征提取-平面相交法
• 在线段的两侧选择合适的点 • 对点进行面的拟合 • 对面的交线进行拟合
• 2.系统误差：
• 3.联合影响： 平面
m m cos m L sin L xs m m m L cos L sin ys m mzs sin mL L cos
数据重建目标立体模型
激光扫描仪是一种相对定位传感器
激光扫描几何原理
数据处理模型
X X S a1 a2 Y Y b b S 1 2 Z c1 c2 Z S a3 b2 c3 0 s Sin s Cos
• 其原理及测量过程类似于机载激光扫描系统
车载系统构成外部实例图
整体外形
传感器特写
车载系统构成工作实例图
地面测量系统构成—原理图
地面测量系统构成
CCD 相机
激光扫描传感器
电脑处理系统
地面测量系统构成—测量结果
激光扫描图像
TIN模型
基于TIN的纹理模型
实验场景图
2.3 激光扫描的误差来源与精度提高