LiDAR数据处理

LiDAR数据处理姚剑Tel:18040585008Email:[e-mail]:027-68771218Web:•Fromwhere?–China:Hunan(Born)→Xiamen(BSc)→Wuhan(MSc)→Shenzhen(Work)→–HongKong(CUHK,PhD)→–Martigny,Switzerland(IDIAP,PostDoc)→–Ispra,Italy(EuropeanCommission-JRC,Researcher)→–China:Shenzhen(SIAT,CAS,Professor)→Wuhan(WHU,Professor)•Dowhat?–Chaos-basedEncryption&Communication(Work,Shenzhen)–ComputerVision:Multi-viewModeling&Rendering(PhD,CUHK,HongKong)–ObjectDetection&Tracking,EventRecognition(PostDoc,IDIAP,Switzerland)–3DLaserScannerDataProcessing/Analysis(Researcher,EC-JRC,Italy)–MachineVisionNavigation(Professor,SIAT,CAS,Shenzhen)–ComputerVision,ImageProcessing,MachineLearning,etc.(Professor,WHU,Wuhan)•ContactingInformation?–Tel:[phone](Office)Mobile:[phone]QQ:83341656–E-Mail:[e-mail]:~jianyaoAboutMELiDAR数据处理•研究生课程：18个学时，1个学分•上课时间：2013年上学期7-12周，每周二7-9节•上课地点：武汉大学信息学部3区2-117。•上课老师：姚剑（主讲）、刘亚文、胡翔云（待定）•教学纲要–第一章、LiDAR系统概述–第二章、LiDAR数据预处理–第三章、LiDAR点云数据配准与建模–第四章、机载激光雷达–第五章、地面激光雷达•考核方式（视最后选修人数而定）–撰写论文–GroupProject+Presentation–GroupPaperReading+PresentationLiDAR数据处理第一章、LiDAR系统概述LiDAR系统及其发展激光雷达数据的优点与不足LiDAR技术与3S技术点云处理相关软件平台点云库介绍从空中和太空观测地球获取影像是20世纪的重大成果之一，短短几十年，遥感数据获取手段迅猛发展。在信息时代，测绘已发展成为地球空间信息学。地球空间信息学所获取和处理的是随时间和空间分布和变化的信息，摄影测量与遥感是获取这种信息的主要手段。如今，继承了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术等先进技术的机载激光雷达技术，其综合性价比要强于传统的遥感数据获取技术，具有一定的技术优势，正日益成为遥感数据采集技术的一种重要方式。第一章、LiDAR系统概述LiDAR系统及其发展•LiDAR是LightDetectionandRanging的英文缩写，称为激光雷达，是激光扫描与探测系统的简称.•激光雷达是用激光器作为辐射源的雷达。是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。–发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；–天线是光学望远镜；–接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。–激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的产生20世纪，人类发明了雷达之后，雷达及其成像技术得到了迅速的发展和广泛的应用。但随着应用的深入，雷达的缺点也越来越引起人们的注意。其主要表现在：波长较长，相应能量子的能量很小；一般不足以与目标发生生化作用，无法探测目标的生化特性；在传播过程中，遇到尺寸小于波长的物体时，更易于发生衍射；因此，为探索更短波长的辐射源，在微波振荡器的基础上发明了激光器，将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达技术激光原理物质与光相互作用：爱因斯坦在解释普朗克黑体辐射公式时指出，只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射的概念”——激光的基础微观粒子都具有特定的一套能级，任一时刻，粒子只能处在与某一能级相对应的状态。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为这两个能级的能量差ΔE=E2—E1，频率为v=(E2-E1）/h激光原理•受激吸收–处于较低能量级的粒子在收到外界的激发吸收了能量时，跃迁到较高能级。激光原理•自发辐射–粒子受到激发进入高能级，并不稳定，自发从高能级E2向低能级E1跃迁。激光原理•受激辐射–当频率为v=(E2-E1)/h的光子入射时，引发处于高能级E2上的粒子以一定概率迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态及传播方向都相同的光子。激光雷达技术的发展1960年，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器。激光雷达技术的发展1969年，美国的阿波罗11号飞船的宇航员们就已经在月球的静海中安置反射镜阵列，当来自地球的激光脉冲被反射后就准确地测试出了地球与月球之间的距离激光雷达技术的发展•20世纪80年代，以美国和德国为首的发达国家开始积极开展机载激光雷达技术的可行性研究，其标志性成果为1990年德国Ackermann教授领衔研制的在Stuttgart大学诞生的世界上第一个激光断面测量系统。•1973年到1994年间，美国国防部成功地建立起了全球定位系统GPS。通过4颗以上的GPS卫星就可以准确地测定地物的三维坐标。•1988年，德国斯图加特大学的Ackermann教授进行了机载动态GPS的测量试验，以少量的地面控制点成功实现了GPS空中三角测量。•在同一年里，Ackermann教授又展示了利用机载激光测量技术测绘森林地区地形的潜在用途。激光雷达技术的发展•1989年至1993之间，斯图加特大学两位博士生将GPS接收机、惯性测量系统IMU以及激光扫描仪集成在一起，利用GPS获取扫描仪中心的位置坐标和IMU测定扫描仪的三个姿态角的功能，完成了一系列的测量试验，当时的系统就成为了现代LiDAR系统的雏形。•1993年，德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan。•目前，生产激光雷达系统的公司主要有Leica、Optech、TopoSys、Riegl、IGI、TopEye、TopScan等。我国激光雷达的发展状况硬件方面：北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光测距—成像系统于1996年完成了原理样机的研制，但该系统距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。我国的中科院光电研究院也已经在研制机载激光雷达系统，目前研制进展比较顺利。算法方面：张小红提出了一种“移动曲面拟合算法”（2004）赖旭东提出了一种针对激光雷达强度图像的融合中值滤波算法（2005）广西桂能信息工程有限公司推出了国内第一套激光数据分类软件LSC（LiDARStudioClassfication）国内购买的激光雷达测量系统单位型号时间广西桂能信息工程有限公司IGILiteMapper56002005.12北京星天地信息科技有限公司OptechALM31002004.05北京星球数码科技公司LeicaALS402004.12太原航空摄影通用公司LeicaALS502005.02山西亚太数字遥感新技术公司IGILiteMapper28002005.01国家海洋局海监总队LeicaALS503台2005.03武大吉奥公司LeicaALS50II2007成都勘测设计研究院OptechALTM31002008天京市星际空间地理信息工程有限公司OptechALTMGemini2008广州建通测绘技术开发有限公司ToposysFALCONII2008激光测距技术激光测距原理•激光测距可分为脉冲激光测距和连续波相位测距两种脉冲激光测距•脉冲激光测距测量光脉冲在待测距离上往返传播的时间间隔脉冲激光测距仪连续波相位测距•连续波相位测距测量光束上调制信号在待测距离上往返传播时所发生的相位变化，间接测量时间间隔，得到目标距离。相位法的相对误差仅有百万分之一，在几千米的距离上误差只有几毫米。连续波相位测距连续波相位测距原理图：图中，T为连续波一个周期的时间，φ为发射信号和接收信号之间的相位差则有：①πT2t所测距离为：②πT22121cctR连续波相位测距由于cTλ代入②式，可得：πλλπ4221ccR式中，λ为波长。对上式求微分，可得：πΔλ4shortR式中，λshort为连续波中最短波长。可见，相位法测距的距离分辨率取决于连续波中最短波长。②πT22121cctR连续波相位测距又由于fT1代入②式，可得：fTt122③41122121fcfcctRfcR41则：这表明实际测距信号的频率决定了测距的灵敏度②πT22121cctR连续波相位测距在实际测量中，由于连续波是周期性的，记录下的相位差只是在一个周期（2π）内的变化，而实际上的时间还应该包括整周期的时间，因此t应该为：nTTt2式中，n为激光从发射到接受所走过的距离中的整周数。由于激光的波长很小，因此n是一个很大的数值。为了得到正确的测距值，就必须得到精确的n值。连续波相位测距④2244maxlongR相位法测距也存在最大测距的问题，由于相位差的最大测量值为2π，代入③式，可得：式中，λlong为连续波中最长波长。需要注意的是：由于整周期数n的获得不取决于④式，如果能够得到精确的n值，Rmax是可以突破λlong的限制的三角法测距•一种利用三角法测距激光测距系统的原理图三角法测距测距误差•脉冲激光测距仪的误差：–系统误差：•计数器频率误差•大气折射误差•电光延迟误差–随机误差•噪声引起的误差•计数频率不稳定引起的距离误差•启动与停止脉冲触发前沿不同引起的漂移误差测距误差•连续波激光测距仪的误差–固定误差（与距离无关的误差）•数字测相误差•幅相误差•照准误差–比例误差（与距离有关的误差）•真空光速误差•大气折射率误差•测尺频率误差激光测距技术应用•激光测距技术广泛应用于生产生活和军事等各种用途上。LiDAR系统分类•按工作平台分–固定平台：可以附属于建筑物的棚架或者圆顶建筑内部，也有在雷达站安装的–移动平台：可分为星载，机载和车载等LiDAR系统地面LiDAR系统静态地面LiDAR系统（基于脚架）动态地面LiDAR系统（基于汽车、船舶等移动平台）机载LiDAR系统地形LiDAR系统海道测量LiDAR系统LiDAR系统分类星载激光雷达星载激光雷达对地观测移动测量平台激光雷达•武汉大学移动式激光雷达LiDAR系统分类•按使用目的分类探测环境状态测量距离大气：气溶胶分布、云、气象因素、污染物质…水体：浮游生物、水温、海洋污染…陆地：植物生长、热岛效应、污染情况…太空：星球间距离、星球地形…海洋：水体深度、水下地形…陆地：地形图、数字高程模型、植被提取…大气探测激光雷达•探测气溶胶和云探测海洋水下资源机载海洋测绘激光雷达①澳大利亚,LADS&LADSMkII.机载海洋测绘激光雷达②美国SHOALS左图为纠正后的正射影像图，右图为SHOALSLIDAR数据。左图在右图两个星期之前拍摄。海岸形态和海草探测在SHOALS数据中可以辨别机载海洋测绘激光雷达③瑞典，HawkEy