機載LiDAR數(shù)據(jù)獲取重要參數(shù)

機載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)系式或計算公式

；——是進行激光遙感系統(tǒng)選擇及航線設(shè)計的重要依據(jù)！（1）瞬時視場角（2）視場角（3）脈沖頻率（4）掃描頻率（5）垂直分辨率（6）最大飛行高度（最大量測距離）（7）最小飛行高度（8）激光腳點光斑的特性3（9）掃描帶寬（10）每條掃描帶上的激光腳點數(shù)（11）激光腳點間距（12）必須航線數(shù)（13）實際量測面積（14）激光腳點密度（15）發(fā)射及接收激光束間隔內(nèi)的飛行距離參數(shù)類型瞬時視場角

（instantaneousfield

of

view，IFOV）由上式，可以計算得到IFOV=0.026

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

1064nmD

10cm又稱激光發(fā)散角，是指激光束發(fā)射時其發(fā)散的角度。瞬時視場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λ的函數(shù)

。IFOV

2.44

D算例：4視場角（Field

Of

View，F(xiàn)OV）5激光束的掃描角，指激光束通過掃描裝置所能達到的最大角度范圍。早期LiDAR系統(tǒng)的掃描角一般較小，大約在30度，目前比較先進的LiDAR系統(tǒng)的掃描角都在60度-75度左右，基本能夠達到航攝像機的視場角度范圍。單位時間內(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，過于密集的激光腳點會帶來大量的冗余數(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的路徑上所能夠區(qū)分不同目標間的最小距離

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

c

tmin28最大飛行高度（最大量測距離）——系統(tǒng)所能精確測定的最遠距離。在實際中工程中，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、探測器靈敏度等等9取決于飛行平臺的類型，探測地區(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激光腳點光斑大?。す馐丈涿嬷睆剑┗夭ǖ亩嘀敌詣討B(tài)重合系數(shù)及其影響12激光腳點光斑特性地面上瞬時激光腳點投射在地面上為一個橢圓形的光斑，其航向直徑（航線方向，短軸）與旁向直徑（掃描方向，長軸）是不等的；它們與下列因素有關(guān)：平臺的飛行高度H；激光波束發(fā)散角γ；地形坡度α；瞬時掃描角θi。關(guān)系如下圖：激光腳點直徑（激光束照射面直徑

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

D

2 H tg

(

2)14通常探測器孔徑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，可簡化為：2aL

2 H tg

(

2)例如：當H=800m；γ＝1mrad時，

H

22aL

2 H tg(

2)

2 H2aL

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

H (tan(

i

2)

tan(

i

2

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

)cos(

)

cos

cos(

iiiiH sin

2H sin

22a

L

cos

17一般說來，對于飛行高度的每一個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）對于激光腳點光斑的航向直徑，始終為：L182 a

H

由于激光腳點在地面形成光斑，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。這些都會造成同一束激光脈沖可能有多個回波信號。這些信號可能先后到達接收器，就形成多次回波。19回波的多值性20由于遙感平臺的移動的關(guān)系，在反射光束到達接收裝置的時候，已經(jīng)不是原來的激光腳點的位置、大小和形狀了，形成接收腳印。由于平臺的移動，接收腳印與激光腳點光斑通常只有部分重合。動態(tài)重合系數(shù)及其影響動態(tài)重合系數(shù)ρ：激光腳點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動態(tài)重合系數(shù)與激光波束發(fā)散角、接收瞬時視場角、傳感器平臺高度、掃描鏡速度和波束傾角有關(guān)。它以一個乘積因子的形式直接影響著激光探測功率的大小，也就是直接決定著激光掃描探測效果。22一般來說,激光束掃描角即激光掃描視場角是一個已知量,在確定飛行高度的情況下，可以計算出掃描帶寬:對于橢圓掃描工作方式仍適用，因為掃描角的量度以天底點方向為準。對于Z形掃描，實際掃描寬度長一些。掃描帶寬

SWSW

2 H tan(

/

2)23在掃描視場角的范圍內(nèi)可以發(fā)射多少束激光，即一掃描行內(nèi)掃描點的數(shù)量。該參數(shù)關(guān)系到掃描量測點的密度。根據(jù)脈沖重復頻率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)，可計算每一掃描行的點數(shù)：可見，N與飛行高度和掃描帶寬無關(guān)。掃描點數(shù)計算與飛行高度、掃描帶寬無關(guān)!24掃描行的點數(shù)

N由于不同的區(qū)域所需的量測密度不同，當激光掃描儀的掃描頻率和脈沖重復頻率固定時，即一行掃描點的個數(shù)固定；若此時針對具體區(qū)域制訂飛行計劃，要求點的密度要大一些，就要考慮適當降低飛行高度。25激光腳點間距（point

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

。27航向點距

dxalone沿飛行方向掃描點之間的距離稱為航向點距。（point

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

dxacross旁向激光腳點間距指一條掃描線上相鄰激光腳點的間距，旁向激光腳點間距與掃描帶寬SW和每條掃描點上的激光腳點數(shù)N相關(guān)。29光纖掃描橢圓掃描是由旋轉(zhuǎn)棱鏡實現(xiàn)的，根據(jù)其鏡面和轉(zhuǎn)軸垂面之間的夾角SN,可以較精確地計算掃描方向點距:橢圓掃描在接近圓形掃描的情況下,掃描方向點距可按下式作近似估計:30對于需要進行激光量測的區(qū)域，在執(zhí)行量測任務(wù)之前，應(yīng)對飛行航帶數(shù)進行估計，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)掃描帶寬是一個重要參量，要計算掃描帶寬，又與航高有關(guān)，在實際制定飛行計劃時，航高的確定須根據(jù)區(qū)域內(nèi)的最低點，而航帶重疊度的計算則要依據(jù)區(qū)域內(nèi)最高點，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，可以對激光掃描量測的實際覆蓋區(qū)域面積進行計算。如果飛機速度為v，待量測區(qū)域長度為L，那么，實際量測面積為：假如待量測區(qū)域長15km，寬10km，航帶重疊度為15%，掃描帶寬為402

m，飛機飛行速度為60m/s,一條航帶需要250s，實際量測面積？154.7km2 。33實際量測面積計算出實際量測面積后，實際量測點密度按下式計算:例如，按上面計算出的面積A＝154.7km2

，n＝30，TS

＝250s

，F(xiàn)＝10KHz，則實際量測密度：量測點密度34Tf是激光掃描量測所需的全部時間，如果Tf為3小時，F(xiàn)為10KHz，數(shù)據(jù)總量就應(yīng)為2.268GB。35實際量測點數(shù)據(jù)量涉及到數(shù)據(jù)存儲空間的問題，如果需要在飛機上實時計算出地面每一被量測點的三維坐標，并記錄下每一個點的反射強度，每點序號、坐標X、Y、Z和時間按4字節(jié)記錄，強度按一個字節(jié)記錄，每點需要21個字節(jié)，數(shù)據(jù)總量為

：量測點數(shù)據(jù)量在激光器發(fā)射脈沖到接收地面發(fā)射的脈沖有一個時間間隔，在此間隔內(nèi)一個平臺移動了一段距離，36一般而言，在以飛機為平臺時，這段距離很短。這影響到動態(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沿掃描方向的估計式為如果Qacross＞1，就是過采樣，反之就是欠采樣。過采樣和欠采樣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公司簡介創(chuàng)建于1819年總部位于瑞士Heerbrugg，在瑞士證券交易市場掛牌上市Leica

ALS系列40激光掃描儀

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

長47cm、寬45cm、高36cm、重40kgCCD相機

DSS，130萬像素（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： 四級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°，配有恒溫控制存儲器容量：300GB，可滿足17小時飛行記錄具有滾動補償裝置年產(chǎn)量：12－14臺44Leica

ALS50-II其他參數(shù)POS系統(tǒng)是Leica

IPAS10-CUS6。它包括控制單元、GPS接收機及其天線，IMU和相應(yīng)的軟件。航線設(shè)計軟件是FPES飛行控制管理軟件是FCMS激光點云處理軟件是芬蘭的TerraSolid系列模塊，該模塊是在Microstation平臺上使用MDL語言開發(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公司。該公司不同于Leica

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

3100EA型號簡介48導航顯示器防顫支架

：長65cm、寬59cm、高49cm、重53.2kg。激光掃描儀：

長26cm、寬19cm、5724cm、重23.4kg。電源：

峰時電流35A，電源（28VDC）CCD相機

：

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： 四級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)：無窮數(shù)據(jù)采集高度：80－3500m51ALTM

3100EA精度溫度：10－35°存儲器容量：可滿足7小時飛行記錄具有滾動補償裝置年產(chǎn)量：12－16臺52ALTM

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

Flight

Management軟件——用于制定飛行計劃和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)從事半導體激光測量系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)的公司。以長程廣角高精度的工程三維測量聞名。54Riegl

LiteMapper5600簡介55高分辨激光掃描儀Q560i：長