機載激光雷達

機載激光雷達第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

激光測距原理激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區(qū)別，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。

激光器到反射物體的距離(d)=光速(c)×時間(t)/2激光束發(fā)射的頻率能從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點。結合GPS得到的激光器位置坐標信息，INS得到的激光方向信息，可以準確地計算出每一個激光點的大地坐標X、Y、Z，大量的激光點聚集成激光點云，組成點云圖像。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

激光雷達工作原理圖第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

機載激光雷達設備機載激光雷達測量系統(tǒng)設備主要包括三大部件：機載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機、定向定位系統(tǒng)POS（包括全球定位系統(tǒng)GPS和慣性導航儀IMU）。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

POS系統(tǒng)：POS系統(tǒng)部件測量設備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，其中GPS確定空間位置，IMU慣導測量仰俯角、側(cè)滾角和航向角數(shù)據(jù)。機載LiDAR采用動態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用安裝了電機上與LiDAR相連接的和設在一個或多個基準站的至少兩臺GPS信號接收機同步而連續(xù)地觀測GPS衛(wèi)星信號、同時記錄瞬間激光和數(shù)碼相機開啟脈沖的時間標記，再進行載波相位測量差分定位技術的離線數(shù)據(jù)后處理，獲取LiDAR的三維坐標。慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對實踐進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

激光掃描儀：機載激光掃描儀部件采集三維激光點云數(shù)據(jù)，測量地形同時記錄回波強度及波形激光掃描儀，是LiDAR的核心，一般由激光發(fā)射器、接收器、時間間隔測量裝置、傳動裝置、計算機和軟件組成。線激光器發(fā)出的光平面掃描物體表面，面陣CCD采集被測物面上激光掃描線的漫反射圖像，在計算機中對激光掃描線圖像進行處理，依據(jù)空間物點與CCD面陣像素的對應關系計算物體的景深信息，得到物體表面的三維坐標數(shù)據(jù)，快速建立原型樣件的三維模型。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

數(shù)碼相機：航空數(shù)碼相機部件拍攝采集航空影像數(shù)據(jù)。利用高分辨率的數(shù)碼相機獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息，經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成彩色正射數(shù)字影像，可對目標進行分類識別，或作為紋理數(shù)據(jù)源。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一機載LIDAR的特點一種直接測量系統(tǒng)（主動式）；能夠穿透植被的葉冠；基本不需要地面控制點，基本不需要進入測量現(xiàn)場；24小時全天候工作；數(shù)據(jù)的絕對精度在0.30米以內(nèi)；提供密集的點陣數(shù)據(jù)(點間距可以小于1米)；可同時測量地面和非地面層；具有迅速獲取數(shù)據(jù)的能力。四、機載激光雷達

第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機載激光雷達

LiDAR數(shù)據(jù)采集及處理流程第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR的應用數(shù)字高程模型(DEM)的應用農(nóng)林業(yè)方面應用電力行業(yè)應用公路勘察設計應用海岸工程方面應用災害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測應用數(shù)字城市應用第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在數(shù)字高程模型(DEM)的應用

和傳統(tǒng)測繪方法相比，LiDAR具有的優(yōu)勢：1、能更快捷、經(jīng)濟地獲取高密度、高精度的大面積的高程數(shù)據(jù)。2、建筑物和植被陰影對周圍物體測量不造成的影響3、在其他的測量儀器難以到達的區(qū)域具有獨特的優(yōu)勢4、Lidar直接獲取三維坐標，無需對DEM數(shù)據(jù)進行正射校正。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在農(nóng)林業(yè)方面應用

激光雷達技術能夠精確地獲取樹木和林冠下地形地貌和農(nóng)作物信息，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查與規(guī)劃利用中，我們可以利用激光雷達的數(shù)據(jù)，分析森林樹木、農(nóng)作物的覆蓋率和面積，了解其疏密程度以及不同樹齡樹木的情況、推算其數(shù)量，以便于人們對森林和農(nóng)業(yè)進行合理規(guī)劃和利用。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在電力行業(yè)應用對于規(guī)劃電網(wǎng)線路，通過機載激光雷達測量技術采集和處理的規(guī)劃沿線數(shù)據(jù)，為電力線路優(yōu)化，外業(yè)勘測，設計施工提供數(shù)據(jù)支持與指導。對于已建設電網(wǎng)線路，利用機載激光雷達測量技術采集和處理的電網(wǎng)沿線數(shù)據(jù)，可以恢復電線實際形狀，自動測量電線到地面的距離和相鄰電線間距，計算垂曲度、跨度等，實現(xiàn)危險點預警，以便及時調(diào)整與維修線路。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在公路勘察設計應用傳統(tǒng)的公路勘察設計方法主要基于航空攝影測量輔之于人工測量的方式，但是航空攝影測量方法受天氣、地形、植被的影響和精度限制，無法獲取橋隧設計所需的1:500比例尺高精度數(shù)據(jù)資料；而采用GPS、全站儀等人工地面測量的方法，由于地勢陡峭、植被遮擋等原因，往往難以施測且很難適應工程建設的需求。

針對困難復雜環(huán)境下三維地表數(shù)據(jù)的高精度獲取和處理環(huán)節(jié)，以低空直升機作為載體的激光測量，改變傳統(tǒng)地形圖生產(chǎn)的制作流程和方法，實現(xiàn)1:500大比例尺數(shù)字線劃地形圖的快速生成。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在海岸工程方面的應用傳統(tǒng)的攝影測量技術有時不能用于反差小或無明顯特征的地區(qū)，如海岸及海岸地區(qū)。另外海岸地區(qū)的動態(tài)環(huán)境也需要經(jīng)常更新基準測量數(shù)據(jù)。機載LIDAR是一種主動傳感技術，能以低成本做高動態(tài)環(huán)境下常規(guī)基礎海岸線測量，且具有一定的水下探測能力，可測量近海水深70m內(nèi)水下地形，可用于海岸帶、海邊沙丘、海邊提防和海岸森林的三維測量和動態(tài)監(jiān)測。

第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在災害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測方面的應用利用機載LIDAR產(chǎn)生的DEM，水文學家可以預測洪水的范圍，制定災難減輕方案以及補救措施。也廣泛應用于自然災害（如颶風、地震、洪水滑坡等）的災后評估和響應。由于激光雷達數(shù)據(jù)構成的三角網(wǎng)高程值可以用顏色表示不同高度的水位，對于水利測量、水災評估都極有用處。城市淹沒分析第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在災害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測方面的應用泥石流監(jiān)測地震斷裂帶監(jiān)測第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在數(shù)字城市方面的應用在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此，對快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實生活提出了更高的要求。LIDAR系統(tǒng)在城市中更能體現(xiàn)其不受航高、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一城市整體規(guī)劃第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一具有多次反射LIDAR數(shù)據(jù)預處理（消除大誤差）消除樹叢（利用多次反射）分類地面點刪除地面點清除噪聲和碎片得到建筑物點生成DEM生成DOM提取建筑物矢量輪廓三維數(shù)字建筑物模型航空影像利用機載LiDAR數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一矢量數(shù)據(jù)