LiDAR数据处理.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/4/9,#,单击此处编辑母版标题样式,LiDAR,数据处理,About ME,LiDAR,数据处理,研究生课程：,18,个学时，,1,个学分,上课时间：,2013,年上学期,7-12,周，每周二,7-9,节,上课地点：武汉大学信息学部,3,区,2-117,。,上课老师：姚剑（主讲）、刘亚文、胡翔云（待定）,教学纲要,第一章、,LiDAR,系统概述,第二章、,LiDAR,数据预处理,第三章、,LiDAR,点云数据配准与建模,第四章、机载激光雷达,第五章、地面激光雷达,考核方式,（视最后选修人数而定）,撰写论文,Group Project+Presentation,Group Paper Reading+Presentation,LiDAR,数据处理,第一章、,LiDAR,系统概述,LiDAR,系统及其发展,激光雷达数据的优点与不足,LiDAR,技术与,3S,技术,点云处理相关软件平台,点云库介绍,从空中和太空观测地球获取影像是,20,世纪的重大成果之一，短短几十年，遥感数据获取手段迅猛发展。在信息时代，测绘已发展成为地球空间信息学。地球空间信息学所获取和处理的是随时间和空间分布和变化的信息，摄影测量与遥感是获取这种信息的主要手段。,如今，继承了,GPS,技术、惯性导航技术、激光测距技术等先进技术的机载激光雷达技术，其综合性价比要强于传统的遥感数据获取技术，具有一定的技术优势，正日益成为遥感数据采集技术的一种重要方式。,第一章、,LiDAR,系统概述,LiDAR,系统及其发展,LiDAR,是,Light Detection and Ranging,的英文缩写，称为激光雷达，是激光扫描与探测系统的简称,.,激光雷达,是用激光器作为辐射源的雷达。是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。,发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；,天线是光学望远镜；,接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。,激光雷达采用,脉冲,或,连续波,2,种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。,激光雷达的产生,20,世纪，人类发明了雷达之后，雷达及其成像技术得到了迅速的发展和广泛的应用。但随着应用的深入，雷达的缺点也越来越引起人们的注意。其主要表现在：,波长较长，相应能量子的能量很小；,一般不足以与目标发生生化作用，无法探测目标的生化特性；,在传播过程中，遇到尺寸小于波长的物体时，更易于发生衍射；,因此，为探索更短波长的辐射源，在微波振荡器的基础上发明了激光器，将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达技术,激光原理,物质与光相互作用：,爱因斯坦在解释普朗克黑体辐射公式时指出，只有自发发射和吸收两个过程是不够的，并由此提出“受激辐射的概念”,激光的基础,微观粒子都具有特定的一套能级，任一时刻，粒子只能处在与某一能级相对应的状态。,与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。,光子的能量值为这两个能级的能量差,E=E,2,E,1,，频率为,v=(E,2,-E,1,）,/h,激光原理,受激吸收,处于较低能量级的粒子在收到外界的激发吸收了能量时，跃迁到较高能级。,激光原理,自发辐射,粒子受到激发进入高能级，并不稳定，自发从高能级,E,2,向低能级,E,1,跃迁。,激光原理,受激辐射,当频率为,v=(E,2,-E,1,)/h,的光子入射时，引发处于高能级,E,2,上的粒子以一定概率迅速地从能级,E,2,跃迁到能级,E,1,，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态及传播方向都相同的光子。,激光雷达技术的发展,1960,年，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器。,激光雷达技术的发展,1969,年，美国的阿波罗,11,号飞船的宇航员们就已经在月球的静海中安置反射镜阵列，当来自地球的激光脉冲被反射后就准确地测试出了地球与月球之间的距离,激光雷达技术的发展,20,世纪,80,年代，以美国和德国为首的发达国家开始积极开展机载激光雷达技术的可行性研究，其标志性成果为,1990,年德国,Ackermann,教授领衔研制的在,Stuttgart,大学诞生的世界上第一个激光断面测量系统,。,1973,年到,1994,年间，美国国防部成功地建立起了全球定位系统,GPS,。通过,4,颗以上的,GPS,卫星就可以准确地测定地物的三维坐标。,1988,年，德国斯图加特大学的,Ackermann,教授进行了机载动态,GPS,的测量试验，以少量的地面控制点成功实现了,GPS,空中三角测量。,在同一年里，,Ackermann,教授又展示了利用机载激光测量技术测绘森林地区地形的潜在用途。,激光雷达技术的发展,1989,年至,1993,之间，斯图加特大学两位博士生将,GPS,接收机、惯性测量系统,IMU,以及激光扫描仪集成在一起，利用,GPS,获取扫描仪中心的位置坐标和,IMU,测定扫描仪的三个姿态角的功能，完成了一系列的测量试验，当时的系统就成为了现代,LiDAR,系统的雏形。,1993,年，德国出现首个商用机载激光雷达系统,TopScan,。,目前，生产激光雷达系统的公司主要有,Leica,、,Optech,、,TopoSys,、,Riegl,、,IGI,、,TopEye,、,TopScan,等。,我国激光雷达的发展状况,硬件方面：,北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光测距成像系统于,1996,年完成了原理样机的研制，但该系统距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。,我国的中科院光电研究院也已经在研制机载激光雷达系统，目前研制进展比较顺利。,算法方面：,张小红提出了一种“移动曲面拟合算法”（,2004,）,赖旭东提出了一种针对激光雷达强度图像的融合中值滤波算法（,2005,）,广西桂能信息工程有限公司推出了国内第一套激光数据分类软件,LSC,（,LiDAR Studio Classfication,）,国内购买的激光雷达测量系统,单位,型号,时间,广西桂能信息工程有限公司,IGI LiteMapper 5600,2005.12,北京星天地信息科技有限公司,Optech ALM 3100,2004.05,北京星球数码科技公司,Leica ALS40,2004.12,太原航空摄影通用公司,Leica ALS50,2005.02,山西亚太数字遥感新技术公司,IGI LiteMapper 2800,2005.01,国家海洋局海监总队,Leica ALS50 3,台,2005.03,武大吉奥公司,Leica ALS50 II,2007,成都勘测设计研究院,Optech ALTM 3100,2008,天京市星际空间地理信息工程有限公司,Optech ALTM Gemini,2008,广州建通测绘技术开发有限公司,Toposys FALCON II,2008,激光测距技术,激光测距原理,激光测距可分为,脉冲激光测距,和,连续波相位测距,两种,脉冲激光测距,脉冲激光测距测量光脉冲在待测距离上往返传播的时间间隔,脉冲激光测距仪,连续波相位测距,连续波相位测距测量光束上调制信号在待测距离上往返传播时所发生的相位变化，间接测量时间间隔，得到目标距离。,相位法的相对误差仅有百万分之一，在几千米的距离上误差只有几毫米。,连续波相位测距,连续波相位测距原理图：,图中，,T,为连续波一个周期的时间，,为发射信号和接收信号之间的相位差,则有：,所测距离为：,连续波相位测距,由于,代入式，可得：,式中，,为波长。对,上式求,微分，可得：,式中，,short,为连续波中最短波长。可见，,相位法测距的距离分辨率取决于连续波中最短波长,。,连续波相位测距,又由于,代入式，可得：,则：,这表明实际测距信号的频率决定了测距的灵敏度,连续波相位测距,在实际测量中，由于连续波是周期性的，记录下的相位差只是在一个周期（,2,）内的变化，而实际上的时间还应该包括整周期的时间，因此,t,应该为：,式中，,n,为激光从发射到接受所走过的距离中的整周数。由于激光的波长很小，因此,n,是一个很大的数值。为了得到正确的测距值，就必须得到精确的,n,值。,连续波相位测距,相位法测距也存在最大测距的问题，由于相位差的最大测量值为,2,，代入式，可得：,式中，,long,为连续波中最长波长。,需要注意的是：由于整周期数,n,的获得不取决于式，如果能够得到精确的,n,值，,R,max,是可以突破,long,的限制的,三角法测距,一种利用三角法测距激光测距系统的原理图,三角法测距,测距误差,脉冲激光测距仪的误差：,系统误差：,计数器频率误差,大气折射误差,电光延迟误差,随机误差,噪声引起的误差,计数频率不稳定引起的距离误差,启动与停止脉冲触发前沿不同引起的漂移误差,测距误差,连续波激光测距仪的误差,固定误差（与距离无关的误差）,数字测相误差,幅相误差,照准误差,比例误差（与距离有关的误差）,真空光速误差,大气折射率误差,测尺频率误差,激光测距技术应用,激光测距技术广泛应用于生产生活和军事等各种用途上。,LiDAR,系统分类,按工作平台分,固定平台：可以附属于建筑物的棚架或者圆顶建筑内部，也有在雷达站安装的,移动平台：可分为星载，机载和车载等,LiDAR,系统,地面,LiDAR,系统,静态地面,LiDAR,系统（基于脚架）,动态地面,LiDAR,系统（基于汽车、船舶等移动平台）,机载,LiDAR,系统,地形,LiDAR,系统,海道测量,LiDAR,系统,LiDAR,系统分类,星载激光雷达,星载激光雷达,对地观测,移动测量平台激光雷达,武汉大学移动式激光雷达,LiDAR,系统分类,按使用目的分类,探测环境状态,测 量 距 离,大气：气溶胶分布、云、气象因素、污染物质,水体：浮游生物、水温、海洋污染,陆地：植物生长、热岛效应、污染情况,太空：星球间距离、星球地形,海洋：水体深度、水下地形,陆地：地形图、数字高程模型、植被提取,大气探测激光雷达,探测气溶胶和云,探测海洋水下资源,机载海洋测绘激光雷达,澳大利亚,LADS&LADS MkII.,机载海洋测绘激光雷达,美国,SHOALS,左图为纠正后的正射影像图，右图为,SHOALS LIDAR,数据。左图在右图两个星期之前拍摄。海岸形态和海草探测在,SHOALS,数据中可以辨别,机载海洋测绘激光雷达,瑞典，,HawkEye1,和,2,LiDAR,系统分类,按激光和物质相互作用分类,相互作用,检测对象,举例,反射,比激光波长尺寸大很多的物质,地形测绘,米氏散射,微粒直径与激光波长相等的物质,气溶胶,瑞利散射,微粒直径比激光波长小很多的物质,空气分子,拉曼散射,具有振动和旋转能力的分子,空气分子、水蒸气、,SO2,等污染物质,荧光法,具有共振能级的分子和原子,NO2,等污染物质,机载,LiDAR,系统,机载,LiDAR,系统,机载,LiDAR,系统,机载,LiDAR,系统特点,高精度,数据成果精度很高，根据机载,LiDAR,设备技术指标的差异而有所不同，一般平面精度可达,0.1,0.5,米，高程精度可达厘米级,高密集,激光点云数据很密集，一般每平方米,1,10,个激光点,高效率,从前期数据的获取到后期数据成果的生成很高效,高分辨率,能同步获取高清晰的数码影像数据,主动的测量方式,主动发射激光脉冲，不依赖于太阳光照，通过接收其回波信号进行三维数据的获取,机载,LiDAR,系统特点,自动化程度高,飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成,系统后处理技术强大,可以把地面和其上的植被、建筑物分离开来,可同时取得,DTM,、,DSM,和植被参数,低成本,无需大量的地面控制工作,非接触性,解决了危险领域的测量，柔性目标的测量，需要保护对象的测量，人员不可到达位置的测量等,可以获得多种成果,DSM,、,DTM,、,DEM,、,NIR,、,DOM,、,DLG,、专题图、三维模型等,机载,LiDAR,测量,vs,摄影测量,航空摄影测量,机载激光雷达测量,设备费用,相对较低,相对较高,生产费用,高,大范围作业低,生产方式,以立体像对生产,以激光扫描仪扫描直接获取,成果,仅有,DSM,，若需要,DEM,，则需要人工处理,利用激光雷达的多次回波特性和后处理软件的使用可以获得,DSM,和,DEM,自动化程度,低，需要大量的内业处理,高,航高限制,不受航高限制,一般,3005000,米,作业周期,长,短,技术,很成熟,数据后处理技术相对落后,机载,LiDAR,测量,vs,摄影测量,与摄影测量技术相比较，机载,LiDAR,测量技术具有以下不足,硬件设备昂贵,LiDAR,系统整合了,IMU,、,GPS,、成像装置和激光扫描仪等设备,飞行限制条件,LiDAR,测量系统可以在白天或夜晚等各种气象条件下飞行，但通常仅有激光数据是不够的，还需要同步获取数码影像数据,地形特征描述欠缺,激光雷达测量系统采集的激光点有一定的间距,数据的后期处理相对滞后,目前可以用于,LiDAR,数据处理的软件还不多，算法还不成熟,机载,LiDAR,系统扫描机制,Mechanism,Ground Pattern,Saw tooth,Most common pattern,(Leica,Optech),Figure modified from:Nikolaos 2006,LiDAR,数据特性的决定因素,扫描系统（与波束图型相关）,飞行高度,脉冲频率,扫描频率,扫描角度,LiDAR,DEM&Canopy Models,IFSAR,IFSAR,10m USGS DEM,Streams,Landslide,LiDAR,LiDAR,数据,Streams,Landslide,LiDAR,数据,LiDAR,通过阔叶树（,A,）和针叶树（,B,）包括裸地的回波数据。绿色的点代表,leaf-on,回波数据，棕色的点代表,leaf-off,回波数据。,（,A,）,（,B,）,LiDAR,数据,LiDAR,数据缺点,海量数据,缺少光谱信息,航带覆盖面积较小,Li,DAR,应用瓶颈,制约,Li,DAR,应用发展的两大瓶颈问题,实施项目时需要昂贵的硬件设备，这一项随着硬件技术的发展已经得到很好的解决。,Li,DAR,点云数据中信息的分类提取，即点云数据的分类工作。,LiDAR,应用,数字高程模型,(DEM),的应用,林学方面的应用,海岸工程方面的应用,水利项目的应用,走廊地区和公路测量应用,城市建模方面的应用,电力输送方面的应用,救灾和损失评估方面的应用,冰川监测方面的应用,数字高程模型,(DEM),的应用,DEM,建立是,LiDAR,系统最基础、最原始的功能。和传统测绘方法相比，,LiDAR,具有的优势：,能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。,建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响,在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势,Li,DAR,直接获取的是点的三维坐标，无需对,DEM,数据进行正射校正,林学方面的应用,Li,DAR,在林学领域上的应用是最先开发应用的商业领域。,机载激光雷达传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，同时测定地表和树高的信息，以及平均树冠面积，林木密度等信息。此外还可以根据激光回波的反射强度，对森林树种进行分类，从而进行大范围、多数种森林的普查以及森林生态系统树蓬垂直结构建模等。,利用机载激光雷达数据提取森林,DEM,和推求植被参数是当今的研究热点之一。,海岸工程方面的应用,由于蓝绿激光较易直接穿透海水而红外激光不易穿透海水，获取红外激光的陆地信息以及蓝绿激光的海底信息。,针对海岸地区高度变化的动力环境，实现对岸线数据的实时更新。,在经济实效地完成常规的测量任务的基础上，精确地绘制并监测海滨、沙丘、防波堤和海岸植被，监测海岸线的变化，实现陆海一体化的综合测绘。,水利项目的应用,LiDAR,技术对于河流监控与治理有着极其重要的意义。,LiDAR,数据构成的三角网高程值可以用某一颜色赋值渲染，水利部门可以按某一高程值预设一颜色值渲染，即可直观看出水位淹没的范围又可测算出水位到这一高程时水位淹没的区域面积以及其危害程度。,走廊地区和公路测量应用,道路测量，道路规划和设计,输电线路,交通运输,河道和水资源,交通管理,测绘铁路线路,光缆铺设，煤气管道,城市建模方面的应用,3D,城市模型是许多应用领域迫切需要的，已被广泛运用于城市规划、建筑设计、无线通讯等领域,电力输送方面的应用,在进行电力线路设计时，通过,LIDAR,数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。,在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。,在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的,LIDAR,数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，便于抢修和维护。,救灾和损失评估方面的应用,机载激光雷达技术能快速、及时、准确直接服务于自然灾害管理、评估与监测,冰川监测方面的应用,冰川变化监测的核心问题就是监测冰川的几何形状及冰量的变化,其他应用,点云处理相关软件平台,MicroStation,的,Terrasolid,ENVI,相关模块,ArcGIS,相关工具,点云库,PCL,（,Point Cloud Lib,）,大型的跨平台开源,C+,编程库，实现了大量点云相关的通用算法和高效数据结构，涉及点云获取、滤波、分割、配准、检索、特征提取、识别、追踪、曲面重建、可视化等,支持多种操作系统平台，可在,Windows,、,Linux,、,Android,、,Mac OS X,，部分嵌入式实时系统上运行,PCL,特性,PCL,的结构和内容,PCL,是基于第三方库实现点云的相关处理,Boost,Eigen,FLANN,VTK,CUDA,OpenNI,QHull,演讲完毕，谢谢观看！,