Light Detection and Ranging (LiDAR)光探测和测距 (LiDAR)

Light Detection and Ranging (LiDAR)光探测和测距 (LiDAR)

它是什么？

航空传感器的类型？
分为主动式和被动式传感器

用于绘制地形图的主动式传感器
雷达
以脉冲方式发射微波
确定与物体的距离和它们的角度位置
（从侧面看）

LiDAR
以脉冲形式传输光学激光光
确定与物体的距离

LiDAR的历史
1960年代开发了激光测距
1970年代开始LiDAR地形测绘
最初的系统是 “单光束”，剖面装置
早期用于地形测绘，因缺乏精确的地理参考而受到限制
早期系统用于测深
全球定位系统和惯性导航（测量）系统的发展提高了精度

LiDAR平台
空中
用于高度详细的局部高程数据
卫星
覆盖大面积，细节较少

激光雷达操作理论
发出一个光脉冲，并记录精确的时间。
检测该脉冲的反射，并记录精确的时间。
使用恒定的光速，延迟可以被转换成 "斜距 "距离。
知道了传感器的位置和方向，就可以计算出反射面的XYZ坐标。

LiDAR系统的组成部分
激光扫描仪
高精度时钟
GPS
IMU-惯性导航测量单元
数据存储和管理系统
GPS地面站

LiDAR系统的组成部分
频率：
每秒50,000（50k）至200,000（200k）个脉冲（Hz）
波长
红外线（1500-2000纳米）用于气象学-多普勒激光雷达
近红外线（1040-1060纳米）用于陆地测绘
蓝绿色（500-600纳米）用于水深测量
紫外线（250纳米）用于气象学
对眼睛安全；低瓦特（<1瓦）。

电磁波谱

激光如何工作
高压电使石英闪光灯管发出强烈的光，将圆柱形红宝石晶体中的一些原子激发到更高的能量水平。

在一个特定的能量水平上，一些原子发射出称为光子的光粒子。起初，光子是向各个方向发射的。来自一个原子的光子刺激其他原子的光子发射，光强度被迅速放大。

两端的镜子来回反射光子，继续这个刺激发射和放大的过程。

光子通过一端的部分银镜离开。这就是激光。发出的光波彼此同相，而且几乎是平行的，以至于它们可以传播很远的距离而不扩散。

LiDAR系统的组成部分
扫描仪
镜子旋转或扫描，将激光脉冲投射到表面
扫描角度可达75度；扫描仪测量每个脉冲发射的角度
接收来自表面的反射脉冲（“回波”）。

LiDAR系统的组成部分
全球定位系统（GPS）
记录扫描仪的x、y、z位置–调查飞行区域的地面基站
惯性测量单元（IMU）
测量扫描仪相对于地面的角度方向（俯仰、滚动、偏航）

LiDAR系统的组成部分
时钟
记录激光脉冲离开和返回扫描仪的时间

机载LiDAR的原理–飞行计划
不能穿透云层
通常在夜间飞行
在较陡峭的地形上有30-50%的重叠
在城市地区以不同角度多次通过（以避免LiDAR “阴影”）
飞行高度通常为200-300米（在城市地区更高）
扫描仪发射的每个激光脉冲会收到多个 “回波”
现代系统能够为每个脉冲重新编码多达五个回报

LiDAR的原理 – 回波
传感器和表面物体之间的距离是通过比较脉冲离开扫描仪的时间和收到每个返回的时间来计算的。

LiDAR的原理 – 回波
每个回波的x/y/z坐标是利用扫描仪的位置和方向（来自GPS和IMU）、扫描镜的角度以及到物体的范围距离计算出来的
回波的集合被称为点云

激光脉冲移动时间
例如：
飞行高度为300米，物体在传感器正下方10米高。激光脉冲的移动时间是多少？1.93467 X 10-6秒（或1,935纳秒）。

激光雷达文件中数据的空间范围图
有阴影的、以数字为单位的条纹对应的是单个激光雷达文件中的一次飞行数据，奇数和偶数条纹的飞行方向相反。

最大无歧义范围（脉冲激光）
激光能量
脉冲率（非重叠脉冲）

SPiA与MPiA（空中单脉冲与空中多脉冲）
MPiA是一种技术，允许在收到前一个脉冲的反射之前发射下一个激光脉冲。

LiDAR分辨率/DEM分辨率
激光视场（FOV）（或足迹）
测距距离和测距分辨率
点密度/点间距

LiDAR- FOV（或足迹）大还是小？
FOV与光束发散有关（0.1到1毫弧度）
小FOV用于详细的局部测绘
大FOV用于更完整的地面采样和与多个垂直结构的更多互动
大FOV通常导致较低的信噪比

脉冲激光器测距距离（R）和测距分辨率（ΔR）
其中：c：光速（~299,792,458米/秒）
t：发送/接收脉冲的时间间隔（ns）
Δt：时间测量的分辨率（ns）。

LiDAR的原理–“分辨率”
每单位面积的脉冲数
目前的系统能够达到20+脉冲/平方米
分辨率由飞机速度、飞行高度视场（FOV）、脉冲发射率决定
点的间距不均匀

LiDAR的原则–“分辨率”
需要较高的分辨率和较窄的FOV来穿透茂密的植被
较高的分辨率可以更好地分辨表面和表面的特征，但代价是数据集较大，处理时间较慢

激光雷达密度和DEM分辨率–每DEM像素平均1个激光雷达脉冲
点密度（如每平方米8个脉冲）
点间距（如50厘米）
PS = SQRT(1/PD)
例如：8个脉冲/米2 = 0.35米

LiDAR的原理
精度
垂直精度通常为15至20厘米（约6英寸）
水平精度为1/3至1米
通过低空慢速飞行和狭窄的FOV提高精度

LiDAR的原理强度
回波的强度随反射回波的表面物体的构成而变化
反射百分比被称为LiDAR强度
可用于识别土地覆盖类型
强度值需要在各次飞行中进行归一化处理

LiDAR的优势
所有数据从一开始就有地理参照
精度高
能够快速覆盖大面积
与摄影测量方法相比，周转快，劳动强度低，成本低
可以在陡峭的地形和阴影中收集数据
可以产生DEM和DSM

LiDAR的缺点
无法穿透非常密集的树冠，导致高程模型错误
非常大的数据集，难以解释和处理
没有国际协议
成本
200美元-300美元/平方英里-3米分辨率
350美元-450美元/平方英里-1米分辨率

LiDAR数据预处理
由机载计算机以系统供应商专有的格式收集数据
进行后处理，以校准多条飞行线，过滤错误的数值和噪音
对返回物进行分类，并按类别分开：首次返回物、最后一次（或裸地）返回物，等等。

LiDAR数据格式
点值通常由供应商以ASCII点文件或LAS格式交付

LAS格式
LiDAR数据交换格式标准
公共二进制文件格式，保持了数据的LIDAR性质的特定信息，同时不会过于复杂
由ASPRS维护
http://www.lasformat.org/

LAS文件组件
公共头块
可变长度记录（VLR）
投影、元数据、波形包。用户定义的数据
点数据记录
格式0（20字节）- 普通属性
格式1（28字节）- 格式0+GPS时间（8字节）
格式2（26字节）- 格式0+RGB（6字节）
格式3（34字节）- 格式2+GPS时间
格式4（57字节）- 格式1+波形包（29字节）
格式5（63字节）- 格式3+波形包
格式6- 10- 用于系统>15返回
扩展可变长记录（EVLR）

LiDAR处理软件
QT Modeler
TerraScan
ArcGIS (Workstation, LiDAR Analyst, 3D Analyst, LP360)
Leica Photogrammetry Suite
ENVI LiDAR

典型的LiDAR到DEM的处理步骤

将 "原始 "点导入GIS格式
将点转换成表面的TIN模型
将TIN模型转换为地表的光栅模型

第1步–导入点
多个LiDAR x/y/z回报被转换为单独的GIS数据集
通常使用典型的 "生成 "功能
大型数据集会使许多GIS应用程序不堪重负

第2步–创建TIN模型
三角不规则网络
通常使用德劳内三角法创建，所有的点都与最近的两点相连
德劳内三角法是尽可能的等角
确保表面上的任何一点都尽可能的接近三角结点

第2步–创建TIN模型
x/y/z返回点成为TIN模型三角形的节点
因此三角形边和面的斜率是已知的
TIN模型允许三角形节点之间的高程值线性插值
比直接将点返回转换为光栅数据更能保持 “边缘”

第2步–创建TIN模型
TIN模型是对地表的有用表示
对于LiDAR数据，由于其复杂度较低，绘图速度较快，一般倾向于采用光栅模型作为最终产品

第3步–创建栅格模型
栅格数据以一系列有规律的统一数据单位（像素）存储高程值
基于栅格的地表模型被称为数字高程模型（DEM）
基于栅格的地表以上特征模型通常被称为数字表面模型（DSM）

第3步–创建光栅模型
光栅数据可以从TIN模型中创建，方法是使用线性插值法对每个像素中心点的高程值进行插值
最小分辨率取决于LiDAR返回的分辨率–经验法则：每个像素平均有一个脉冲

其他产品–高度图像
通过从第一个回报中减去裸地回报创建–创建树木、建筑和其他地表特征高度的光栅图像

其他产品 – 遮阳板
通过考虑太阳和阴影的照明角度创建的阴影浮雕图像
用于在2D中查看3D模型
光源通常来自北方；这产生了最具有视觉吸引力的图像

其他产品 – 等高线
可以从TIN或栅格模型中创建
适当的间隔取决于LiDAR数据的垂直精度。(等值线的间隔应至少是垂直精度的两倍，即

俄勒冈州的公共领域LiDAR
http://www.blm.gov/or/gis/lidar.php
OSU ftp: ftp://lidar.engr.oregonstate.edu/
USGS NED (3m DEM) and Earth Explorer (las)
ESRI ArcGIS
ArcGIS点文件信息工具
ArcGIS LAS数据集工具

ArcGIS 10.X LAS数据集
一个LAS数据集可以
在ArcGIS中使用ArcMap和ArcScene的2D和3D功能。
根据应用于点云的某些激光雷达过滤器，使用高程或点属性渲染器将其显示为点。
渲染为三角形的表面模型。
根据某些激光雷达过滤器，使用高程、坡度、角度或等高线进行可视化。
用于对源LAS文件进行更新

原文链接
提取码：zio0

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