機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取重要參數(shù)

機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取重要參數(shù)主要內(nèi)容2LiDAR數(shù)據(jù)獲取重要參數(shù)——與LiDAR系統(tǒng)性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量相關(guān)的參數(shù)關(guān)系式或計(jì)算公式

；——是進(jìn)行激光遙感系統(tǒng)選擇及航線設(shè)計(jì)的重要依據(jù)?。?）瞬時(shí)視場(chǎng)角（2）視場(chǎng)角（3）脈沖頻率（4）掃描頻率（5）垂直分辨率（6）最大飛行高度（最大量測(cè)距離）（7）最小飛行高度（8）激光腳點(diǎn)光斑的特性3（9）掃描帶寬（10）每條掃描帶上的激光腳點(diǎn)數(shù)（11）激光腳點(diǎn)間距（12）必須航線數(shù)（13）實(shí)際量測(cè)面積（14）激光腳點(diǎn)密度（15）發(fā)射及接收激光束間隔內(nèi)的飛行距離參數(shù)類型瞬時(shí)視場(chǎng)角

（instantaneousfield

of

view，IFOV）由上式，可以計(jì)算得到IFOV=0.026

mrad。瞬時(shí)視場(chǎng)角的單位一般為毫?。╩rad），LeicaALS50II的瞬時(shí)視場(chǎng)角為0.22/0.15毫弧。

1064nmD

10cm又稱激光發(fā)散角，是指激光束發(fā)射時(shí)其發(fā)散的角度。瞬時(shí)視場(chǎng)角的大小取決于激光的衍射（diffraction），是發(fā)射孔徑D和激光波長(zhǎng)λ的函數(shù)

。IFOV

2.44

D算例：4視場(chǎng)角（Field

Of

View，F(xiàn)OV）5激光束的掃描角，指激光束通過(guò)掃描裝置所能達(dá)到的最大角度范圍。早期LiDAR系統(tǒng)的掃描角一般較小，大約在30度，目前比較先進(jìn)的LiDAR系統(tǒng)的掃描角都在60度-75度左右，基本能夠達(dá)到航攝像機(jī)的視場(chǎng)角度范圍。單位時(shí)間內(nèi)激光器所能夠發(fā)射的激光束數(shù)量。6脈沖頻率并不是脈沖頻率越大越好，過(guò)于密集的激光腳點(diǎn)會(huì)帶來(lái)大量的冗余數(shù)據(jù)，影響數(shù)據(jù)處理的效率和效果。掃描頻率指線掃描方式，每秒鐘所掃描的行數(shù)，即掃描鏡每秒鐘擺動(dòng)的周期。很明顯，掃描頻率越大，每秒鐘的掃描線就越多掃描頻率掃描頻率小7掃描頻率大脈沖通過(guò)的路徑上所能夠區(qū)分不同目標(biāo)間的最小距離

。垂直分辨率若脈沖寬度為10ns，則在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)，不同目標(biāo)距離至少為1.5m，其回波能量才可能經(jīng)接收器檢出，并區(qū)別開(kāi)來(lái)。minH

c

tmin28最大飛行高度（最大量測(cè)距離）——系統(tǒng)所能精確測(cè)定的最遠(yuǎn)距離。在實(shí)際中工程中，其影響因素有很多：激光功率、光束的發(fā)散性、大氣折射率、地物反射率、探測(cè)器靈敏度等等9取決于飛行平臺(tái)的類型，探測(cè)地區(qū)的地形，人眼的安全距離。最小飛行高度Leica

ALS6010ALS70規(guī)格參數(shù)11激光腳點(diǎn)光斑大?。す馐丈涿嬷睆剑┗夭ǖ亩嘀敌詣?dòng)態(tài)重合系數(shù)及其影響12激光腳點(diǎn)光斑特性地面上瞬時(shí)激光腳點(diǎn)投射在地面上為一個(gè)橢圓形的光斑，其航向直徑（航線方向，短軸）與旁向直徑（掃描方向，長(zhǎng)軸）是不等的；它們與下列因素有關(guān)：平臺(tái)的飛行高度H；激光波束發(fā)散角γ；地形坡度α；瞬時(shí)掃描角θi。關(guān)系如下圖：激光腳點(diǎn)直徑（激光束照射面直徑

AL）13（1）當(dāng)遙感平臺(tái)處于水平狀態(tài)，激光束垂直照射水平地面上（瞬時(shí)掃描角θi＝0）時(shí)（圖a），激光腳點(diǎn)光斑的旁向直徑：2aL

D

2 H tg

(

2)14通常探測(cè)器孔徑D比較小，只有10～15厘米，可以忽略（圖b）。故有：由于激光波束發(fā)散角γ也非常小，可簡(jiǎn)化為：2aL

2 H tg

(

2)例如：當(dāng)H=800m；γ＝1mrad時(shí)，

H

22aL

2 H tg(

2)

2 H2aL

0.8m15（2）當(dāng)遙感平臺(tái)處于水平狀態(tài)，激光束傾斜（瞬時(shí)掃描角為θi）照射水平地面上時(shí)（圖c），旁向直徑：2aL

H (tan(

i

2)

tan(

i

2

))16（3）當(dāng)遙感平臺(tái)處于水平狀態(tài)，激光束傾斜（瞬時(shí)掃描角為θi），照射到傾斜地面（坡度為α）上時(shí)（圖d），激光腳點(diǎn)光斑的旁向直徑：22

)cos(

)

cos

cos(

iiiiH sin

2H sin

22a

L

cos

17一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于飛行高度的每一個(gè)100m，激光照射面直徑因激光束發(fā)散，在數(shù)值上等于1/10，

因此，

一般以毫弧為單位（mrad）。（4）對(duì)于激光腳點(diǎn)光斑的航向直徑，始終為：L182 a

H

由于激光腳點(diǎn)在地面形成光斑，具有一定的面積。在此區(qū)域內(nèi)也許存在不同的地物類型或者地面有起伏。這些都會(huì)造成同一束激光脈沖可能有多個(gè)回波信號(hào)。這些信號(hào)可能先后到達(dá)接收器，就形成多次回波。19回波的多值性20由于遙感平臺(tái)的移動(dòng)的關(guān)系，在反射光束到達(dá)接收裝置的時(shí)候，已經(jīng)不是原來(lái)的激光腳點(diǎn)的位置、大小和形狀了，形成接收腳印。由于平臺(tái)的移動(dòng)，接收腳印與激光腳點(diǎn)光斑通常只有部分重合。動(dòng)態(tài)重合系數(shù)及其影響動(dòng)態(tài)重合系數(shù)ρ：激光腳點(diǎn)光斑與接收腳印重合部分的面積與激光光斑的面積之比。21動(dòng)態(tài)重合系數(shù)與激光波束發(fā)散角、接收瞬時(shí)視場(chǎng)角、傳感器平臺(tái)高度、掃描鏡速度和波束傾角有關(guān)。它以一個(gè)乘積因子的形式直接影響著激光探測(cè)功率的大小，也就是直接決定著激光掃描探測(cè)效果。22一般來(lái)說(shuō),激光束掃描角即激光掃描視場(chǎng)角是一個(gè)已知量,在確定飛行高度的情況下，可以計(jì)算出掃描帶寬:對(duì)于橢圓掃描工作方式仍適用，因?yàn)閽呙杞堑牧慷纫蕴斓c(diǎn)方向?yàn)闇?zhǔn)。對(duì)于Z形掃描，實(shí)際掃描寬度長(zhǎng)一些。掃描帶寬

SWSW

2 H tan(

/

2)23在掃描視場(chǎng)角的范圍內(nèi)可以發(fā)射多少束激光，即一掃描行內(nèi)掃描點(diǎn)的數(shù)量。該參數(shù)關(guān)系到掃描量測(cè)點(diǎn)的密度。根據(jù)脈沖重復(fù)頻率F——每秒鐘發(fā)射激光脈沖的次數(shù)和掃描頻率fsc

——每秒鐘掃描行數(shù)，可計(jì)算每一掃描行的點(diǎn)數(shù)：可見(jiàn)，N與飛行高度和掃描帶寬無(wú)關(guān)。掃描點(diǎn)數(shù)計(jì)算與飛行高度、掃描帶寬無(wú)關(guān)!24掃描行的點(diǎn)數(shù)

N由于不同的區(qū)域所需的量測(cè)密度不同，當(dāng)激光掃描儀的掃描頻率和脈沖重復(fù)頻率固定時(shí)，即一行掃描點(diǎn)的個(gè)數(shù)固定；若此時(shí)針對(duì)具體區(qū)域制訂飛行計(jì)劃，要求點(diǎn)的密度要大一些，就要考慮適當(dāng)降低飛行高度。25激光腳點(diǎn)間距（point

space）26式中，V為飛行速度；fsc為掃描頻率?？梢?jiàn)，航向激光腳點(diǎn)間距也與飛行高度無(wú)關(guān)，只與飛行速度和掃描頻率有關(guān)

。27航向點(diǎn)距

dxalone沿飛行方向掃描點(diǎn)之間的距離稱為航向點(diǎn)距。（point

spacing），根據(jù)飛機(jī)飛行速度v，計(jì)算得到點(diǎn)距：橢圓掃描方式，飛行方向上點(diǎn)距較大Z形掃描方式，由于有兩種定義掃描行的方式計(jì)算飛行方向點(diǎn)距也有兩種方式28旁向點(diǎn)距

dxacross旁向激光腳點(diǎn)間距指一條掃描線上相鄰激光腳點(diǎn)的間距，旁向激光腳點(diǎn)間距與掃描帶寬SW和每條掃描點(diǎn)上的激光腳點(diǎn)數(shù)N相關(guān)。29光纖掃描橢圓掃描是由旋轉(zhuǎn)棱鏡實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)其鏡面和轉(zhuǎn)軸垂面之間的夾角SN,可以較精確地計(jì)算掃描方向點(diǎn)距:橢圓掃描在接近圓形掃描的情況下,掃描方向點(diǎn)距可按下式作近似估計(jì):30對(duì)于需要進(jìn)行激光量測(cè)的區(qū)域，在執(zhí)行量測(cè)任務(wù)之前，應(yīng)對(duì)飛行航帶數(shù)進(jìn)行估計(jì)，若其寬度為W（km），航帶之間掃描重疊度為q。所需航帶數(shù)為：滿足31最少航帶數(shù)最少航帶數(shù)n

int (W

SW

1)32SW(1

q)int表示不小于()內(nèi)數(shù)值的最小正整數(shù)掃描帶寬是一個(gè)重要參量，要計(jì)算掃描帶寬，又與航高有關(guān)，在實(shí)際制定飛行計(jì)劃時(shí)，航高的確定須根據(jù)區(qū)域內(nèi)的最低點(diǎn)，而航帶重疊度的計(jì)算則要依據(jù)區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)，以避免在掃描帶寬很窄的情況下產(chǎn)生遺漏。在估算出所需航帶數(shù)的基礎(chǔ)上，可以對(duì)激光掃描量測(cè)的實(shí)際覆蓋區(qū)域面積進(jìn)行計(jì)算。如果飛機(jī)速度為v，待量測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度為L(zhǎng)，那么，實(shí)際量測(cè)面積為：假如待量測(cè)區(qū)域長(zhǎng)15km，寬10km，航帶重疊度為15%，掃描帶寬為402

m，飛機(jī)飛行速度為60m/s,一條航帶需要250s，實(shí)際量測(cè)面積？154.7km2 。33實(shí)際量測(cè)面積計(jì)算出實(shí)際量測(cè)面積后，實(shí)際量測(cè)點(diǎn)密度按下式計(jì)算:例如，按上面計(jì)算出的面積A＝154.7km2

，n＝30，TS

＝250s

，F(xiàn)＝10KHz，則實(shí)際量測(cè)密度：量測(cè)點(diǎn)密度34Tf是激光掃描量測(cè)所需的全部時(shí)間，如果Tf為3小時(shí)，F(xiàn)為10KHz，數(shù)據(jù)總量就應(yīng)為2.268GB。35實(shí)際量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的問(wèn)題，如果需要在飛機(jī)上實(shí)時(shí)計(jì)算出地面每一被量測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并記錄下每一個(gè)點(diǎn)的反射強(qiáng)度，每點(diǎn)序號(hào)、坐標(biāo)X、Y、Z和時(shí)間按4字節(jié)記錄，強(qiáng)度按一個(gè)字節(jié)記錄，每點(diǎn)需要21個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)總量為

：量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量在激光器發(fā)射脈沖到接收地面發(fā)射的脈沖有一個(gè)時(shí)間間隔，在此間隔內(nèi)一個(gè)平臺(tái)移動(dòng)了一段距離，36一般而言，在以飛機(jī)為平臺(tái)時(shí)，這段距離很短。這影響到動(dòng)態(tài)重合系數(shù)的大小發(fā)射及接收激光束間隔內(nèi)的飛行距離d

v*

d

t

2

v

R /

c沿掃描方向的估計(jì)式為如果Qacross＞1，就是過(guò)采樣，反之就是欠采樣。過(guò)采樣和欠采樣Q

ac

r

o

s

s d

x

a

c

ross37

2a

L常用商業(yè)LiDAR系統(tǒng)38Leica公司LiDAR設(shè)備Optech公司LiDAR設(shè)備Riegl公司LiDAR設(shè)備Leica公司LiDAR設(shè)備39Leica公司簡(jiǎn)介創(chuàng)建于1819年總部位于瑞士Heerbrugg，在瑞士證券交易市場(chǎng)掛牌上市Leica

ALS系列40激光掃描儀

長(zhǎng)56cm、寬37cm、高24cm、重30kg操作與控制終端（計(jì)算機(jī)）電源控制器

長(zhǎng)47cm、寬45cm、高36cm、重40kgCCD相機(jī)

DSS，130萬(wàn)像素（1280×1024）波形記錄器其它設(shè)備，包括：連接電纜、控制/顯示器等。Leica

ALS50-II部件41掃描模式：擺鏡（線掃描）方式42最大掃描角度：最大掃描頻率：最大發(fā)射頻率：75°90HZ150KHZ最大發(fā)射頻率的范圍：150KHZ<550m；100KHZ<800m；50KHZ<1800m激光器安全等級(jí)： 四級(jí)POS系統(tǒng)：Applanix

510（美）、Honeywell（加）Leica

ALS50-II參數(shù)高程精度：0.11m

(500m)、0.15m

(1000m)、0.13m

(2000m)水平精度：0.11m

(500m)、0.11m(1000m)、0.24m

(2000m)垂直分辨率：2.8m回波次數(shù)：4數(shù)據(jù)采集高度：200－6000m43Leica

ALS50-II精度溫度：0－40°，配有恒溫控制存儲(chǔ)器容量：300GB，可滿足17小時(shí)飛行記錄具有滾動(dòng)補(bǔ)償裝置年產(chǎn)量：12－14臺(tái)44Leica

ALS50-II其他參數(shù)POS系統(tǒng)是Leica

IPAS10-CUS6。它包括控制單元、GPS接收機(jī)及其天線，IMU和相應(yīng)的軟件。航線設(shè)計(jì)軟件是FPES飛行控制管理軟件是FCMS激光點(diǎn)云處理軟件是芬蘭的TerraSolid系列模塊，該模塊是在Microstation平臺(tái)上使用MDL語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。CCD影像數(shù)據(jù)后處理軟件是ERDAS軟件的LPS模塊。45Leica

ALS50-II數(shù)據(jù)處理Optech公司LiDAR設(shè)備46Optech公司簡(jiǎn)介Optech公司創(chuàng)建于1974年,是總部位于加拿大的一家全球性的跨國(guó)公司。該公司不同于Leica

公司，它不涉足傳統(tǒng)的測(cè)繪儀器，而是專攻用于測(cè)繪及成像的激光設(shè)備，其中高端的設(shè)備，如海洋用LiDAR——(SHOALS)，僅用于軍方。SHOALS簡(jiǎn)介47ALTM

3100EA型號(hào)簡(jiǎn)介48導(dǎo)航顯示器防顫支架

：長(zhǎng)65cm、寬59cm、高49cm、重53.2kg。激光掃描儀：

長(zhǎng)26cm、寬19cm、5724cm、重23.4kg。電源：

峰時(shí)電流35A，電源（28VDC）CCD相機(jī)

：

APPLANIXDSS322

（5436×4092）ROLLEIAIC

（5440×4080）波形記錄器其它設(shè)備，包括：連接電纜器等。49ALTM

3100EA部件掃描模式：擺鏡（線掃描）方式50最大掃描角度：最大掃描頻率：最大發(fā)射頻率：50°70HZ100KHZ最大發(fā)射頻率的范圍：100KHZ<800m；83KHZ<1100m；50KHZ<1800m激光器安全等級(jí)： 四級(jí)POS系統(tǒng)：Applanix

510（美）、Sagem（法）ALTM

3100EA參數(shù)高程精度：0.10m

(500m)、0.10m

(1000m)、0.15m

(2000m)水平精度：0.09m

(500m)、0.18m

(1000m)、0.36m

(2000m)垂直分辨率：

m回波次數(shù)：無(wú)窮數(shù)據(jù)采集高度：80－3500m51ALTM

3100EA精度溫度：10－35°存儲(chǔ)器容量：可滿足7小時(shí)飛行記錄具有滾動(dòng)補(bǔ)償裝置年產(chǎn)量：12－16臺(tái)52ALTM

3100EA其他參數(shù)ZinView軟件——用于快速瀏覽和檢查采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。ALTM-NAV

Flight

Management軟件——用于制定飛行計(jì)劃和GPS、POS和LiDAR數(shù)據(jù)的整合管理。DASHMAP

Survey

Suit軟件模塊——輸入輸出、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和三維顯示等。REALM

Survey

Suit軟件模塊——支持LAS格式、定向、解算等功能。53ALTM

3100EA數(shù)據(jù)處理Riegl公司LiDAR設(shè)備Riegl公司簡(jiǎn)介Riegl公司，總部位于奧地利，成立于1970年，是一家專業(yè)從事半導(dǎo)體激光測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)的公司。以長(zhǎng)程廣角高精度的工程三維測(cè)量聞名。54Riegl

LiteMapper5600簡(jiǎn)介55高分辨激光掃描儀Q560i：長(zhǎng)