激光雷达技术原理

1激光雷达技术原理主讲人：康志忠博士副教授测绘工程教研室土地科学技术学院2第一章绪论3第一章绪论什么是Lidar?“光探测和测距”(LiDAR,LightDetectionAndRanging)光雷达(非激光)激光雷达(激光)。激光雷达技术可实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取,再现客观事物的实时的、真实的形态特性,为快速获取空间信息提供了简单有效手段。4第一章绪论激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,具有以下优势：非接触式精度高（毫米级/亚毫米级）速度快（可达120万点/秒）密度大(点间距可达毫米级)数据采集方式灵活，同时对环境光线、温度都要求较低LiDAR技术的优势5LiDAR测量原理–测时（Lighttransittime）第一章绪论6根据测定时间方法的不同，LiDAR测距原理可分为：1、脉冲法测距—直接测时2、相位法测距—间接测时第一章绪论测距原理7脉冲法测距–直接LiDAR发出光脉冲（或电脉冲），经物体表面反射回到LiDAR。测定接收光脉冲和发射脉冲时间差△t称脉冲法测距。ctD21测距精度为1cm，时间测量精度是多少？讨论：8相位法测距–间接相位法测距是采用测定“调制光波”往返于被测距离上的相位差，间接求定距离的方法。9相位法测距–间接21NTfcfTfNcctD2121,10相位法测距–间接问题：1、相位测量仅能测出不足一周的相位差2、相位差的分辨率限制测距的精度解决：为了保证精度而又兼顾测程，采用几个调制光波长配合测距。•例如：测量386.57m的距离，用精测尺测量时，得到6.57m，用粗测尺测量时，得到386.5m，组合得到完整的距离值。11LiDAR测距–小结优势：脉冲法：测程远（6KM）相位法：精度高，采样率高（120万/秒）劣势：脉冲法：精度低相位法：测程近（100米），无法测定整周相位数12LiDAR测量原理–三角测量（Triangulation）第一章绪论)tan(ZX)tan(00fpBfZ（1617年，荷兰人斯涅耳(W．Snell)首创三角测量法）ρLinearlaserSpotdetectorΔρΔββΔΖXαΒρ1ρ2f0ρ1ρ2SideviewFrontviewOpticalCentreLaserSourceVanLeeuwenhoeksingel,Delft,TheNetherlands132020年9月21日星期一•国际水利环境工程学院IHEAsianNight142020年9月21日星期一152020年9月21日星期一161、窗口式扫描—一个激光器，两个旋转轴异面且互相垂直的反光镜，由步进电机带动旋转，沿纵向和横向依次扫过被测区域第一章绪论扫描方式：172、全景扫描—一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体由电机带动水平旋转第一章绪论扫描方式：183、移动扫描—一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体随平台移动第一章绪论扫描方式：194、结构光扫描—投影光栅，一次扫描（每一条激光线上分布了640个激光点，一次扫描发射480条激光线）第一章绪论扫描方式：20扫描方式激光脚点轨迹摆镜扫描方式旋转棱镜扫描方式光学纤维电扫描方式圆锥镜扫描方式四种典型的LiDAR系统的扫描方式21LiDAR分类（搭载平台）星载-激光高度计机载-LiDAR车载-LiDAR固定式-激光扫描仪第一章绪论22LiDAR分类（搭载平台）星载-激光高度计机载-LiDAR车载-LiDAR固定式-激光扫描仪第一章绪论23激光测高的概念EarthCenterofMassrruR仪器中心到地表的距离r(基于飞行时间）仪器中心的位置r（基于精确定轨precisionorbitdetermination，POD）激光束姿态信息u（基于精确定姿precisionattitudedetermination(PAD)）确定激光点的平面位置和大地高（基于地心）24星载系统•GeoscienceLaserAltimeterSystem(ICESat)(2003年1月12)•MarsOrbiter•LITEaerosolBackscatterLidar•VegetationCanopyLidar(instasis)•SPARCLEEO-2(Cancelled)•MarsPolarLanderLidar(spacecraftlost)•Calipso(2006年4月28日)25美国NASAICESat/GLAS计划美国NASA于2003年1月12日发射了全球第一颗星载激光雷达卫星ICESat,星载的传感器GLAS(GeoscienceLaserAltimeterSystem)是第一个用于全球连续观测的激光扫描设备,该卫星将测量两极冰面地形及其随时间的变化,测绘陆地地形图,获取全球数字高程模型。与机载LiDAR相比,星载LiDAR具有许多不可替代的优势。星载LiDAR采用卫星平台,运行轨道高、观测视野广,可以触及世界的每一个角落,为境外地区三维控制点和数字地面模型(DigitalElevationModels,DEM)的获取提供了新的途径,无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。星载LiDAR还具有观察整个天体的能力,美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载LiDAR传感器,所提供的数据资料可以用于制作天体的综合三维地形图。此外,星载LiDAR在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。2626中国“嫦娥一号”、“嫦娥二号”美国“克莱门汀”日本“月亮女神”印度“月球初航”探月卫星272020年9月21日星期一27我国首颗月球探测卫星“嫦娥一号”搭载了包括CCD立体相机和激光高度计在内的8台有效载荷，于2007年10月24日在西昌卫星中心发射。嫦娥一号探月卫星2009年3月1日完成任务成功落月共计发回包括激光测高和CCD影像数据在内的原始数据1.39TB。282020年9月21日星期一28三线阵数字传感器正在成为当代摄影测量与遥感获取空间数据的重要手段之一。激光高度计可实现获取卫星下方月表地形高度数据的任务。+CCD立体相机+激光高度计联合绘制月表三维影像可作为一种新的行星表面测绘模式！探测数据处理方法嫦娥一号探月卫星29国家国际科技合作专项项目“中意大学生数字月球图联合编制”:背景:2011年6月1日-4日习近平副主席访问意大利期间签署《中国科技部与意大利教育大学科研部关于重大科研合作的备忘录》230国家国际科技合作专项项目“中意大学生数字月球图联合编制”:参与单位:中方：教育部深空探测联合研究中心意方：意大利航天局中国科学院国家天文台意大利国家天文研究所北京大学米兰理工大学清华大学都灵理工大学中国地质大学（北京）罗马大学南京大学基耶帝佩斯卡拉大学华东师范大学中方预算经费：500万2312020年9月21日星期一312010年10月1日18时59分57秒，搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。嫦娥二号探月卫星CCD立体相机分辨率：120米:7米激光高度计测距频率：1Hz:5Hz嫦娥一号与二号载荷参数比较：32LiDAR分类（搭载平台）星载-激光高度计机载-LiDAR车载-LiDAR固定式-激光扫描仪第一章绪论33机载激光雷达测量技术是激光技术、计算机技术、高动态载体姿态测定技术和高精度动态GPS差分定位技术迅速发展的集中体现。机载激光雷达系统是一种集激光测距、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一体的系统，用于获得数据并生成精确三维地形（DEM）。LiDAR系统主要包括激光测距仪和接收系统，激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并发射回来，最终被接收器接收。机载激光雷达（LiDAR）介绍34•激光扫描仪采用直升机或者固定翼飞机作为飞行平台，用来装载测量装置，通过激光扫描仪与实时动态GPS定位系统对地面进行高精度、实时量测。•惯性导航系统完全自主式导航系统，它利用陀螺和加速度计这两类惯性传感器的测量信息直接计算出飞机的姿态、速度、位置等导航参数。•动态差分GPS定位系统用于确定扫描装置投影中心的空间位置，实时计算导航所需数据、系统状态。•成像装置机载激光雷达扫描系统采用的成像装置通常为CCD或摄像机。机载激光扫描系统组成35从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标(X,Y,Z)。机载激光扫描系统工作示意图36机载激光扫描系统中的测距单元包括激光发射器和接收器，激光扫描是主动工作方式，由激光发射器产生激光，而由扫描装置控制激光束发射出去的方向。在接收器接收被返回来的激光束后由记录单元进行记录。机载激光扫描系统工作原理3737LiDAR工作原理3838发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser3939发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser4040发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser4141发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser4242发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser4343发射激光脉冲入射脉冲传播到目标物入射脉冲与目标物作用反射脉冲返回到接收机回波信号处理ReceiverLaser44是一种直接主动式测量方法，受天气条件的影响少。地面控制工作大大减少，基本不需要地面控制点，大大提高作业速度。作业安全，它能进行危险地区（如沼泽地带、大型垃圾堆等）的测图工作。作业周期快，易于更新，时效性强。激光脉冲信号能部分穿过植被，是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。可以进行电力线检查。不受地域地形限制，可同时测量地面和非地面层。LiDAR的特点45LiDAR系统获得的数据具有分布不规律，坐标不连续的特点。用于普通地形测量的LiDAR系统所发射的激光脉冲很容易被水吸收而很难产生发射光。因此，该系统难以确定水系的边界。到目前为止，还没有一套通用的作业规范和流程。目前LiDAR系统的价格昂贵，也一定程度上限制了该系统的普及应用。LiDAR的缺点46从激光数据采集到直接得到DEMDEM生产流程47三维显示，平均点间隔约0.4米原始激光点云数据4849数字地面模型（DTM）的获取3D城市建模林业的应用带状目标测图灾害调查与环境监测古建筑文物保护数字电网数字水利数字勘测机载激光雷达技术的主要应用领域50海岸线监测5151走廊测图（电力线、高速公路）5252DTM生成5353三维城市建模5454高分辨率LIDAR+影像生成的三维地形模型和景观模型5555copyrightAsiaAirsurveyK.K./Japan洪水模拟5656土方量测57LiDAR分类（搭载平台）星载-激光高度计机载-LiDAR车载-LiDAR固定式-激光扫描仪第一章绪论58地面三维激光扫描仪地面三维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,采用非接触式高速激光测量方式,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表。有人称“三维激光扫描系统”是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。59地面LiDAR系统的优势：1.速度快,节约大量的时间,测量完整，精确获取静态物体精细三维坐标；2.不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量；3.特别适合测