机载激光雷达-李德仁

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：ClockTargetReturnSensorHead激光回波测距原理LctR21Result:XYZPos.inWGS84坐标系GPS&INSPosition.Distance机载LiDAR数据采集原理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•主要由三种类型的扫描原理–摇摆扫描镜（oscillatingmirror)，为Leica，Optech采用–旋转多棱镜（rotatingpolygon)，为Riegl和IGI采用–光纤扫描（fiberscanning)，仅为TopoSys的Falcon系统采用优点：•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•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•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，精度受影响较大机载LiDAR扫描原理-摆动扫描镜密度最不均匀情况密度最均匀情况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机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪机载LiDAR扫描原理-旋转正多面体扫描仪点云数据分布均匀优点：•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机载LiDAR扫描原理-光纤扫描仪激光束固定的纤维线阵3rd返回从地面1st返回从树顶2nd返回从树枝1st(仅一次)从地面返回机载LiDAR多次回波信息-树木机载LiDAR多次回波信息-房屋3rd返回从地面1st返回从房顶2nd返回从房檐1st(仅一次)从地面返回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•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。激光雷达针对大气应用：大气圈层结构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，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。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，为后续应用提供了丰富的数据资源。•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•噪声–系统误差–高的及低的局外点(粗差)–空洞机载LiDAR数据特点•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获得的三维坐标精度可以看做是地形和植被覆盖的函数。机载LiDAR数据精度影响因素AeroScanSystemAccuracy0.0000.1000.2000.3000.4000.5000.6000.7000.8000100020003000400050006000FlyingHeight(mAGL)EstimatedAccuracy@FOVedge(m,1sigma)horizontal(75)horizontal(45)vertical(75)vertical(45)LeicaASL50飞行高度和精度、扫描角度关系•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•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（RollCompensation）•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，飞行的最低航高也越大机载LiDAR的重要参数飞行数据记录数据处理可视化处理数据预处理和质量检测Orthoimage+DTMorDSMDSMDTM机载LiDAR数据一般处理流程（含车载）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航线设计飞行控制数据存储•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;•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.我国自主研发的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共110个功能武大自主研发LiDAR数据处理软件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。检校飞行航线数据检校-以翻滚角为例hrrollZY航飞方向航飞方向/2arctanhRollr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：Roll图1翻滚角影响图2翻滚角与航带间高差关系示意图原理r选择同航高来回飞行的两条带数据通过航带管理器获取点云的航带号信息选择重叠区平地拉一剖面翻滚角误差导致的航带间高差量测剖面到航带中心的距离r量测航带高程差h/2arctanhRollr由得到翻滚角检校值利用检校值改正点云检校改正后两航带高差基本消除自主软件用于数据检校-以翻滚角为例自主软件用于基础测绘的实际生产成果－－以敦煌数据为例沙丘DEM沙漠河道DEM敦煌市郊DSM敦煌市郊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树建模模块的成果基于EM（方差极大算法）的全波形数据波形分解：decompositionoffull-waveformdatawithExpectationMaximumLiDar数据处理试验研究SLICERdata(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。PeakdetectedbySLICERalgorithmDetectedbyouralgorithmmorecomparison•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（3DDLG）提取的有效途径摄影测量LIDAR系统被动式测量主动式测量采用覆盖整个摄影区域逐点采样间接获取地面三维坐标直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能够识别比激光斑点小的物体，如输电线等软硬件经多年发展已比较成熟新技术需不断发展，具有很大发展潜力可利用的传感器类型很多(多光谱，线阵CCD)可供选择传感器类型较少飞行计划相对简单飞行计划相对复杂，要求较苛刻相同的飞行高度下飞行带宽较宽，覆盖面积大飞行带宽较窄，容易形成漏飞区域受天气影响理论上能全天候采集数据，实际上背景反射越弱，测距效果越好数据处理自动化程度低，特别是处理航片时需要人工干预容易实现数据处理自动化GPS(INS可选)，GPS/INS数据采样率低GPS+INS(价格昂贵)，GPS/INS数据采样率高传统摄影测量与LIDAR系统比较影像和点云数据的配准•融合高分辨率遥感影像与点云数据，配准是第一步•机载LiDAR三维离散点的半随机分布特性，导致影像特征点与机载LiDAR特征点难于对应•经尺度分析，当影像分辨率远小于机载LiDAR点云点间距时，利用点特征配准基元，LiDAR点云密度限制配准精度，无法体现高分辨率遥感影像水平精度的优