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LiDAR数据处理 Telmail jian yao Tel 027 68771218Web Fromwhere China Hunan Born Xiamen BSc Wuhan MSc Shenzhen Work HongKong CUHK PhD Martigny Switzerland IDIAP PostDoc Ispra Italy EuropeanCommission JRC Researcher China Shenzhen SIAT CAS Professor Wuhan WHU Professor Dowhat Chaos basedEncryption Communication Work Shenzhen ComputerVision Multi viewModeling Rendering PhD CUHK HongKong ObjectDetection Tracking EventRecognition PostDoc IDIAP Switzerland 3DLaserScannerDataProcessing Analysis Researcher EC JRC Italy MachineVisionNavigation Professor SIAT CAS Shenzhen ComputerVision ImageProcessing MachineLearning etc Professor WHU Wuhan ContactingInformation Tel 86 27 68771218 Office Mobile 86Q 83341656E Mail jian yao Web AboutME 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GroupProject PresentationGroupPaperReading Presentation LiDAR数据处理 第一章 LiDAR系统概述 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LightDetectionandRanging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 E2 E1 频率为v E2 E1 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E2向低能级E1跃迁 激光原理 受激辐射当频率为v E2 E1 h的光子入射时 引发处于高能级E2上的粒子以一定概率迅速地从能级E2跃迁到能级E1 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 LiDARStudioClassfication 国内购买的激光雷达测量系统 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 Rmax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 LADSMkII 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SHOALSLIDAR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 机载LiDAR系统 机载LiDAR系统 机载LiDAR系统 机载LiDAR系统特点 机载LiDAR系统特点 机载LiDAR测量vs摄影测量 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 机载LiDAR系统扫描机制 Mechanism GroundPattern Sawtooth Mostcommonpattern Leica Optech Figuremodifiedfrom Nikolaos2006 LiDAR数据特性的决定因素 LiDAR DEM CanopyModels IFSAR IFSAR 10mUSGSDEM 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 LiDAR应用瓶颈 制约LiDAR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 LiDAR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LiDAR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 LiDAR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