机载LiDAR数据获取重要参数

机载LiDAR数据获取重要参数主要内容2LiDAR数据获取重要参数——与LiDAR系统性能、数据质量相关的参数关系式或计算公式

；——是进行激光遥感系统选择及航线设计的重要依据！（1）瞬时视场角（2）视场角（3）脉冲频率（4）扫描频率（5）垂直分辨率（6）最大飞行高度（最大量测距离）（7）最小飞行高度（8）激光脚点光斑的特性3（9）扫描带宽（10）每条扫描带上的激光脚点数（11）激光脚点间距（12）必须航线数（13）实际量测面积（14）激光脚点密度（15）发射及接收激光束间隔内的飞行距离参数类型瞬时视场角

（instantaneousfield

of

view，IFOV）由上式，可以计算得到IFOV=0.026

mrad。瞬时视场角的单位一般为毫弧（mrad），LeicaALS50II的瞬时视场角为0.22/0.15毫弧。

1064nmD

10cm又称激光发散角，是指激光束发射时其发散的角度。瞬时视场角的大小取决于激光的衍射（diffraction），是发射孔径D和激光波长λ的函数

。IFOV

2.44

D算例：4视场角（Field

Of

View，FOV）5激光束的扫描角，指激光束通过扫描装置所能达到的最大角度范围。早期LiDAR系统的扫描角一般较小，大约在30度，目前比较先进的LiDAR系统的扫描角都在60度-75度左右，基本能够达到航摄像机的视场角度范围。单位时间内激光器所能够发射的激光束数量。6脉冲频率并不是脉冲频率越大越好，过于密集的激光脚点会带来大量的冗余数据，影响数据处理的效率和效果。扫描频率指线扫描方式，每秒钟所扫描的行数，即扫描镜每秒钟摆动的周期。很明显，扫描频率越大，每秒钟的扫描线就越多扫描频率扫描频率小7扫描频率大脉冲通过的路径上所能够区分不同目标间的最小距离

。垂直分辨率若脉冲宽度为10ns，则在一个脉冲宽度内，不同目标距离至少为1.5m，其回波能量才可能经接收器检出，并区别开来。minH

c

tmin28最大飞行高度（最大量测距离）——系统所能精确测定的最远距离。在实际中工程中，其影响因素有很多：激光功率、光束的发散性、大气折射率、地物反射率、探测器灵敏度等等9取决于飞行平台的类型，探测地区的地形，人眼的安全距离。最小飞行高度Leica

ALS6010ALS70规格参数11激光脚点光斑大小（激光束照射面直径）回波的多值性动态重合系数及其影响12激光脚点光斑特性地面上瞬时激光脚点投射在地面上为一个椭圆形的光斑，其航向直径（航线方向，短轴）与旁向直径（扫描方向，长轴）是不等的；它们与下列因素有关：平台的飞行高度H；激光波束发散角γ；地形坡度α；瞬时扫描角θi。关系如下图：激光脚点直径（激光束照射面直径

AL）13（1）当遥感平台处于水平状态，激光束垂直照射水平地面上（瞬时扫描角θi＝0）时（图a），激光脚点光斑的旁向直径：2aL

D

2 H tg

(

2)14通常探测器孔径D比较小，只有10～15厘米，可以忽略（图b）。故有：由于激光波束发散角γ也非常小，可简化为：2aL

2 H tg

(

2)例如：当H=800m；γ＝1mrad时，

H

22aL

2 H tg(

2)

2 H2aL

0.8m15（2）当遥感平台处于水平状态，激光束倾斜（瞬时扫描角为θi）照射水平地面上时（图c），旁向直径：2aL

H (tan(

i

2)

tan(

i

2

))16（3）当遥感平台处于水平状态，激光束倾斜（瞬时扫描角为θi），照射到倾斜地面（坡度为α）上时（图d），激光脚点光斑的旁向直径：22

)cos(

)

cos

cos(

iiiiH sin

2H sin

22a

L

cos

17一般说来，对于飞行高度的每一个100m，激光照射面直径因激光束发散，在数值上等于1/10，

因此，

一般以毫弧为单位（mrad）。（4）对于激光脚点光斑的航向直径，始终为：L182 a

H

由于激光脚点在地面形成光斑，具有一定的面积。在此区域内也许存在不同的地物类型或者地面有起伏。这些都会造成同一束激光脉冲可能有多个回波信号。这些信号可能先后到达接收器，就形成多次回波。19回波的多值性20由于遥感平台的移动的关系，在反射光束到达接收装置的时候，已经不是原来的激光脚点的位置、大小和形状了，形成接收脚印。由于平台的移动，接收脚印与激光脚点光斑通常只有部分重合。动态重合系数及其影响动态重合系数ρ：激光脚点光斑与接收脚印重合部分的面积与激光光斑的面积之比。21动态重合系数与激光波束发散角、接收瞬时视场角、传感器平台高度、扫描镜速度和波束倾角有关。它以一个乘积因子的形式直接影响着激光探测功率的大小，也就是直接决定着激光扫描探测效果。22一般来说,激光束扫描角即激光扫描视场角是一个已知量,在确定飞行高度的情况下，可以计算出扫描带宽:对于椭圆扫描工作方式仍适用，因为扫描角的量度以天底点方向为准。对于Z形扫描，实际扫描宽度长一些。扫描带宽

SWSW

2 H tan(

/

2)23在扫描视场角的范围内可以发射多少束激光，即一扫描行内扫描点的数量。该参数关系到扫描量测点的密度。根据脉冲重复频率F——每秒钟发射激光脉冲的次数和扫描频率fsc

——每秒钟扫描行数，可计算每一扫描行的点数：可见，N与飞行高度和扫描带宽无关。扫描点数计算与飞行高度、扫描带宽无关!24扫描行的点数

N由于不同的区域所需的量测密度不同，当激光扫描仪的扫描频率和脉冲重复频率固定时，即一行扫描点的个数固定；若此时针对具体区域制订飞行计划，要求点的密度要大一些，就要考虑适当降低飞行高度。25激光脚点间距（point

space）26式中，V为飞行速度；fsc为扫描频率。可见，航向激光脚点间距也与飞行高度无关，只与飞行速度和扫描频率有关

。27航向点距

dxalone沿飞行方向扫描点之间的距离称为航向点距。（point

spacing），根据飞机飞行速度v，计算得到点距：椭圆扫描方式，飞行方向上点距较大Z形扫描方式，由于有两种定义扫描行的方式计算飞行方向点距也有两种方式28旁向点距

dxacross旁向激光脚点间距指一条扫描线上相邻激光脚点的间距，旁向激光脚点间距与扫描带宽SW和每条扫描点上的激光脚点数N相关。29光纤扫描椭圆扫描是由旋转棱镜实现的，根据其镜面和转轴垂面之间的夹角SN,可以较精确地计算扫描方向点距:椭圆扫描在接近圆形扫描的情况下,扫描方向点距可按下式作近似估计:30对于需要进行激光量测的区域，在执行量测任务之前，应对飞行航带数进行估计，若其宽度为W（km），航带之间扫描重叠度为q。所需航带数为：满足31最少航带数最少航带数n

int (W

SW

1)32SW(1

q)int表示不小于()内数值的最小正整数扫描带宽是一个重要参量，要计算扫描带宽，又与航高有关，在实际制定飞行计划时，航高的确定须根据区域内的最低点，而航带重叠度的计算则要依据区域内最高点，以避免在扫描带宽很窄的情况下产生遗漏。在估算出所需航带数的基础上，可以对激光扫描量测的实际覆盖区域面积进行计算。如果飞机速度为v，待量测区域长度为L，那么，实际量测面积为：假如待量测区域长15km，宽10km，航带重叠度为15%，扫描带宽为402

m，飞机飞行速度为60m/s,一条航带需要250s，实际量测面积？154.7km2 。33实际量测面积计算出实际量测面积后，实际量测点密度按下式计算:例如，按上面计算出的面积A＝154.7km2

，n＝30，TS

＝250s

，F＝10KHz，则实际量测密度：量测点密度34Tf是激光扫描量测所需的全部时间，如果Tf为3小时，F为10KHz，数据总量就应为2.268GB。35实际量测点数据量涉及到数据存储空间的问题，如果需要在飞机上实时计算出地面每一被量测点的三维坐标，并记录下每一个点的反射强度，每点序号、坐标X、Y、Z和时间按4字节记录，强度按一个字节记录，每点需要21个字节，数据总量为

：量测点数据量在激光器发射脉冲到接收地面发射的脉冲有一个时间间隔，在此间隔内一个平台移动了一段距离，36一般而言，在以飞机为平台时，这段距离很短。这影响到动态重合系数的大小发射及接收激光束间隔内的飞行距离d

v*

d

t

2

v

R /

c沿扫描方向的估计式为如果Qacross＞1，就是过采样，反之就是欠采样。过采样和欠采样Q

ac

r

o

s

s d

x

a

c

ross37

2a

L常用商业LiDAR系统38Leica公司LiDAR设备Optech公司LiDAR设备Riegl公司LiDAR设备Leica公司LiDAR设备39Leica公司简介创建于1819年总部位于瑞士Heerbrugg，在瑞士证券交易市场挂牌上市Leica

ALS系列40激光扫描仪

长56cm、宽37cm、高24cm、重30kg操作与控制终端（计算机）电源控制器

长47cm、宽45cm、高36cm、重40kgCCD相机

DSS，130万像素（1280×1024）波形记录器其它设备，包括：连接电缆、控制/显示器等。Leica

ALS50-II部件41扫描模式：摆镜（线扫描）方式42最大扫描角度：最大扫描频率：最大发射频率：75°90HZ150KHZ最大发射频率的范围：150KHZ<550m；100KHZ<800m；50KHZ<1800m激光器安全等级： 四级POS系统：Applanix

510（美）、Honeywell（加）Leica

ALS50-II参数高程精度：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回波次数：4数据采集高度：200－6000m43Leica

ALS50-II精度温度：0－40°，配有恒温控制存储器容量：300GB，可满足17小时飞行记录具有滚动补偿装置年产量：12－14台44Leica

ALS50-II其他参数POS系统是Leica

IPAS10-CUS6。它包括控制单元、GPS接收机及其天线，IMU和相应的软件。航线设计软件是FPES飞行控制管理软件是FCMS激光点云处理软件是芬兰的TerraSolid系列模块，该模块是在Microstation平台上使用MDL语言开发的。CCD影像数据后处理软件是ERDAS软件的LPS模块。45Leica

ALS50-II数据处理Optech公司LiDAR设备46Optech公司简介Optech公司创建于1974年,是总部位于加拿大的一家全球性的跨国公司。该公司不同于Leica

公司，它不涉足传统的测绘仪器，而是专攻用于测绘及成像的激光设备，其中高端的设备，如海洋用LiDAR——(SHOALS)，仅用于军方。SHOALS简介47ALTM

3100EA型号简介48导航显示器防颤支架

：长65cm、宽59cm、高49cm、重53.2kg。激光扫描仪：

长26cm、宽19cm、5724cm、重23.4kg。电源：

峰时电流35A，电源（28VDC）CCD相机

：

APPLANIXDSS322

（5436×4092）ROLLEIAIC

（5440×4080）波形记录器其它设备，包括：连接电缆器等。49ALTM

3100EA部件扫描模式：摆镜（线扫描）方式50最大扫描角度：最大扫描频率：最大发射频率：50°70HZ100KHZ最大发射频率的范围：100KHZ<800m；83KHZ<1100m；50KHZ<1800m激光器安全等级： 四级POS系统：Applanix

510（美）、Sagem（法）ALTM

3100EA参数高程精度：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回波次数：无穷数据采集高度：80－3500m51ALTM

3100EA精度温度：10－35°存储器容量：可满足7小时飞行记录具有滚动补偿装置年产量：12－16台52ALTM

3100EA其他参数ZinView软件——用于快速浏览和检查采集到的点云数据。ALTM-NAV

Flight

Management软件——用于制定飞行计划和GPS、POS和LiDAR数据的整合管理。DASHMAP

Survey

Suit软件模块——输入输出、坐标转换和三维显示等。REALM

Survey

Suit软件模块——支持LAS格式、定向、解算等功能。53ALTM

3100EA数据处理Riegl公司LiDAR设备Riegl公司简介Riegl公司，总部位于奥地利，成立于1970年，是一家专业从事半导体激光测量系统研发生产的公司。以长程广角高精度的工程三维测量闻名。54Riegl

LiteMapper5600简介55高分辨激光扫描仪Q560i：长