激光雷达技术原理.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,1,激光雷达技术原理,主讲人：康志忠 博士 副教授,测绘工程教研室,土地科学技术学院,2,第一章 绪论,3,第一章,绪论,什么是,Lidar,?,“,光探测和测距,”(LiDAR,Li,ght,D,etection,A,nd,R,anging),光雷达,(,非激光,),激光雷达,(,激光,),。,激光雷达,技术可实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取,再现客观事物的实时的、真实的形态特性,为快速获取空间信息提供了简单有效手段。,4,第一章 绪论,激光雷达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,具有以下优势：,非接触式,精度高（毫米级,/,亚毫米级）,速度快（可达,120,万点,/,秒）,密度大,(,点间距可达毫米级,),数据采集方式灵活，同时对环境光线、温度都要求较低,LiDAR,技术的优势,5,LiDAR,测量原理,测时（,Light transit time,）,第一章 绪论,6,根据测定时间方法的不同，,LiDAR,测距原理可分为：,1、脉冲法测距,直接测时,2、相位法测距,间接测时,第一章 绪论,测距原理,7,脉冲法测距,直接,LiDAR发出光脉冲（或电脉冲），经物体表面反射回到,LiDAR,。测定接收光脉冲和发射脉冲时间差,t,称,脉冲法测距。,测距精度为1,cm，,时间测量精度是多少？,讨论：,8,相位法测距,间接,相位法测距是采用测定“调制光波”往返于被测距离上的相位差，间接求定距离的方法。,9,相位法测距,间接,10,相位法测距,间接,问题：,1、相位测量仅能测出不足一周的相位差,2、相位差的分辨率限制测距的精度,解决：,为了保证精度而又兼顾测程，采用几个调制光波长配合测距。,例如：测量386.57,m,的距离，用精测尺测量时，得到6.57,m，,用粗测尺测量时，得到386.5,m，,组合得到完整的距离值。,11,LiDAR,测距,小结,优势：,脉冲法：测程远（,6KM,）,相位法：精度高，采样率高（,120,万,/,秒）,劣势：,脉冲法：精度低,相位法：测程近（,100,米），无法测定整周相位数,12,LiDAR,测量原理,三角测量（,Triangulation,）,第一章 绪论,（,1617,年，荷兰人斯涅耳(,WSnell),首创三角测量法）,Linear laser,Spot detector,X,1,2,f,0,1,2,Side,view,Front,view,Optical,Centre,Laser,Source,Van Leeuwenhoeksingel,Delft,The Netherlands,13,三月 08,2025,国际水利环境工程学院,IHE,Asian Night,14,三月 08,2025,15,三月 08,2025,16,1、窗口式扫描,一个激光器，两个旋转轴异面且互相垂直的反光镜，由步进电机带动旋转，沿纵向和横向依次扫过被测区域,第一章 绪论,扫描方式：,17,2,、全景扫描,一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体由电机带动水平旋转,第一章 绪论,扫描方式：,18,3,、移动扫描,一个激光器，一个旋转反光镜，仪器主体随平台移动,第一章 绪论,扫描方式：,19,4,、结构光扫描,投影光栅，一次扫描（每一条激光线上分布了,640,个激光点，一次扫描发射,480,条激光线）,第一章 绪论,扫描方式：,20,扫描方式,激光脚点轨迹,摆镜扫描方式,旋转棱镜扫描方式,光学纤维电扫描方式,圆锥镜扫描方式,四种典型的,LiDAR,系统的扫描方式,21,LiDAR,分类（搭载平台）,星载,-,激光高度计,机载,-LiDAR,车载,-LiDAR,固定式,-,激光扫描仪,第一章 绪论,22,LiDAR,分类（搭载平台）,星载,-,激光高度计,机载,-LiDAR,车载,-LiDAR,固定式,-,激光扫描仪,第一章绪论,23,激光测高的概念,Earth,Center,of Mass,r,r,u,R,仪器中心到地表的距离,r,(,基于飞行时间）,仪器中心的位置,r,（基于精确定轨,precision orbit determination,，,POD,）,激光束姿态信息,u,（基于精确定姿,precision attitude determination(PAD),）,确定激光点的平面位置和大地高（基于地心）,24,星载系统,Geoscience Laser Altimeter System(ICESat),(2003,年,1,月,12),Mars Orbiter,LITE aerosol Backscatter Lidar,Vegetation Canopy Lidar,(in stasis),SPARCLE EO-2,(Cancelled),Mars Polar Lander Lidar,(spacecraft lost),Calipso,(2006,年,4,月,28,日,),25,美国,NASA ICESat/GLAS,计划,美国NASA 于2003 年1月12日发射了全球第一颗星载激光雷达卫星ICESat,星载的传感器GLAS(Geoscience Laser,Altimeter System)是第一个用于全球连续观测的激光扫描设备,该卫星将测量两极冰面地形及其随时间的变化,测绘陆地地形图,获取全球数字高程模型。,与机载,LiDAR,相比,星载,LiDAR,具有许多不可替代的优势。星载,LiDAR,采用,卫星平台,运行轨道高,、,观测视野广,可以触及世界的每一个角落,为境外地区三维控制点和数字地面模型,(Digital Elevation Models,DEM),的获取提供了新的途径,无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。星载,LiDAR,还具有,观察,整个,天体,的能力,美国进行的月球和火星等探测计划中都包含了星载,LiDAR,传感器,所提供的数据资料可以用于制作天体的综合三维地形图。此外,星载,LiDAR,在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。,26,26,中国“嫦娥一号,”,、,“嫦娥二号,”,美国“克莱门汀”,日本“月亮女神,”,印度“月球初航”,探月卫星,27,三月 08,2025,27,我国首颗月球探测卫星“,嫦娥一号,”搭载了包括,CCD,立体相机,和,激光高度计,在内的,8,台有效载荷，于,2007,年,10,月,24,日,在西昌卫星中心发射。,嫦娥一号探月卫星,2009,年,3,月,1,日,完成任务,成功落月,共计发回包括,激光测高,和,CCD,影像数据,在内的原始数据,1.39TB,。,28,三月 08,2025,28,三线阵数字传感器,正在成为当代摄影测量与遥感获取空间数据的重要手段之一。,激光高度计,可实现获取卫星下方月表地形高度数据的任务。,+,CCD,立体相机,+,激光高度计联合绘制月表三维影像可作为一种新的行星表面测绘模式！,探测数据处理方法,嫦娥一号探月卫星,29,国家国际科技合作专项项目“中意大学生数字月球图联合编制”,:,背景,:,2011,年,6,月,1,日,-4,日习近平副主席访问意大利期间签署,中国科技部与意大利教育大学科研部关于重大科研合作的备忘录,2,30,国家国际科技合作专项项目“中意大学生数字月球图联合编制”,:,参与单位,:,中方：教育部深空探测联合研究中心 意方：意大利航天局,中国科学院国家天文台 意大利国家天文研究所,北京大学 米兰理工大学,清华大学 都灵理工大学,中国地质大学（北京）,罗马大学,南京大学 基耶帝佩斯卡拉大学,华东师范大学,中方预算经费：,500,万,2,31,三月 08,2025,31,2010,年,10,月,1,日,18,时,59,分,57,秒,，搭载着嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。,嫦娥二号探月卫星,CCD,立体相机分辨率：,120,米,:7,米,激光高度计测距频率：,1Hz:5Hz,嫦娥一号与二号载荷参数比较：,32,LiDAR,分类（搭载平台）,星载,-,激光高度计,机载,-LiDAR,车载,-LiDAR,固定式,-,激光扫描仪,第一章绪论,33,机载激光雷达测量技术是激光技术、计算机技术、高动态载体姿态测定技术和高精度动态,GPS,差分定位技术迅速发展的集中体现。,机载激光雷达系统是一种集,激光测距,、,全球定位系统（,GPS,）,和,惯性导航系统（,INS,）,三种技术于一体的系统，用于获得数据并生成精确三维地形（,DEM,）。,LiDAR,系统主要包括激光测距仪和接收系统，激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并发射回来，最终被接收器接收。,机载激光雷达（,LiDAR,）介绍,34,激光扫描仪,采用直升机或者固定翼飞机作为飞行平台，用来装载测量装置，通过激光扫描仪与实时动态,GPS,定位系统对地面进行高精度、实时量测。,惯性导航系统,完全自主式导航系统，它利用陀螺和加速度计这两类惯性传感器的测量信息直接计算出飞机的姿态、速度、位置等导航参数。,动态差分,GPS,定位系统,用于确定扫描装置投影中心的空间位置，实时计算导航所需数据、系统状态。,成像装置,机载激光雷达扫描系统采用的成像装置通常为,CCD,或摄像机。,机载激光扫描系统组成,35,从,GPS,得到的激光器的位置和从,INS,得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标,(X,Y,Z),。,机载激光扫描系统工作示意图,36,机载激光扫描系统中的测距单元包括,激光发射器,和,接收器,，激光扫描是,主动,工作方式，由激光发射器产生激光，而由扫描装置控制激光束发射出去的方向。在接收器接收被返回来的激光束后由,记录单元,进行记录。,机载激光扫描系统工作原理,37,37,LiDAR,工作原理,38,38,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,39,39,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,40,40,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,41,41,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,42,42,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,43,43,发射激光脉冲,入射脉冲传播到目标物,入射脉冲与目标物作用,反射脉冲返回到接收机,回波信号处理,Receiver,Laser,44,是一种直接主动式测量方法，受天气条件的影响少。,地面控制工作大大减少，基本不需要地面控制点，大大提高作业速度。,作业安全，它能进行危险地区（如沼泽地带、大型垃圾堆等）的测图工作。,作业周期快，易于更新，时效性强。,激光脉冲信号能部分穿过植被，是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。,可以进行电力线检查。,不受地域地形限制，可同时测量地面和非地面层。,LiDAR,的特点,45,LiDAR,系统获得的数据具有分布不规律，坐标不连续的特点。,用于普通地形测量的,LiDAR,系统所发射的激光脉冲很容易被水吸收而很难产生发射光。因此，该系统难以确定水系的边界。,到目前为止，还没有一套通用的作业规范和流程。,目前,LiDAR,系统的价格昂贵，也一定程度上限制了该系统的普及应用。,LiDAR,的缺点,46,从激光数据采集到直接得到,DEM,DEM,生产流程,47,三维显示，平均点间隔约,0.4,米,原始激光点云数据,48,49,数字地面模型,（,DTM,）,的获取,3D,城市建模,林业的应用,带状目标测图,灾害调查与环境监测,古建筑文物保护,数字电网,数字水利,数字勘测,机载激光雷达技术的主要应用领域,50,海岸线监测,51,51,走廊测图（电力线、高速公路）,52,52,DTM,生成,53,53,三维城市建模,54,54,高分辨率,LIDAR+,影像生成的三维地形模型和景观模型,55,55,copyright Asia Airsurvey K.K./Japan,洪水模拟,56,56,土方量测,57,LiDAR,分类（搭载平台）,星载,-,激光高度计,机载,-LiDAR,车载,-LiDAR,固定式,-,激光扫描仪,第一章绪论,58,地面三维激光扫描仪,地面三维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器,采用非接触式高速激光测量方式,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。,仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成,CCD,数字摄影和仪器内部校正等系统。,地面三维激光扫描技术的出现是以三维,激光扫描仪的诞生为代表。有人称“三维激,光扫描系统,”,是继,GPS,技术以来测绘领域的,又一次技术革命。,59,地面,LiDAR,系统的优势,：,1.,速度快,节约大量的时间,测量完整，精确获取静态物体精细三维坐标；,2.,不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量；,3.,特别适合测量表面复杂的物体及其细节的测量；,4.,快速和准确地确定表面、体积、断面、截面、等值线等；,60,中国地质大学（北京）土地科学技术学院测绘工程教研室目前拥有,RIEGL,LMS Z620,三维激光扫描仪一台。,有效测量距离：,2km,最大角度分辨率：,0.002,平均精度（,100,米距离）：,5mm,水平扫描角度范围：,0-360,垂直扫描角度范围：,0-80,LiDAR,技术,61,LiDAR,分类（搭载平台）,星载,-,激光高度计,机载,-LiDAR,车载,-LiDAR,固定式,-,激光扫描仪,第一章绪论,62,三月 08,2025,62,基本组成部分,:,GPS/INS,直接定向,数字成像传感器,激光扫描仪,影像传感器可以是：,框幅式相机,线阵相机,(,推扫式,),系统组成：63,三月 08,2025,63,技术特点,具体表现为,测速快，后处理快，直接获取点云数据，,360,度获取数据，没有死角，数据精度可达厘米级,。,车载,Lidar,测量系统可以通过安装在,火车上,或,铁轨上的一个移动平台,来,迅速获取铁路沿线的三维地理空间数据,。所测量的数据精度可达厘米级，可用于确定铁路沿线两侧各,500m,范围内形变。,64,实例,车载激光扫描系统,:Lynx,(Optech),or Street Mapper,(Newcastle University&3D Laser Mapping Ltd.),65,三维激光扫描技术的应用,66,三维激光扫描技术的应用,地形剖面及等高线的生成及输出,节理裂隙调查及辅助地质编录,隧道施工验收与变形监测,边坡变形监测应用,危岩体的空间分布位置及边界范围确定,