LIDAR基础知识PPT精选文档
lidar教程-第一部分
lidar教程-第一部分内部资料，注意保存LiDAR及其数据后处理技术初级培训教程南京市测绘勘察研究院有限公司二零零七年一月前言本来作为一本内部使用的资料，没有考虑它会有一个什么样的名字。
在2006年的时候，这本书的名字为“LiDAR数据后处理初级培训教程”，通过一年的使用，发现技术本身的连续性造成培训的效果不佳。
所以，在2007年元月把LiDAR技术的相关知识加进来作为本教程的第一部分。
使读者在进行枯燥的软件使用之前有一个良好的LiDAR技术基础知识，这更有利于培训和学习。
本教程的第二部分是主要部分，重点阐述了芬兰TerraSolid公司英文版软件使用初级技巧和方法，使读者能够习惯软件的操作方式，为进一步熟练的工程应用打下坚实基础。
这部分包括：T erraScan、TerraModeler、TerraPhoto三个软件模块的介绍、安装、初级使用。
跟随本教程有一套练习数据，有900兆的容量，涵盖了本书提到的软件所有功能的练习内容。
数据主要来自芬兰软件提供的培训数据和研究小组收集的工程实际数据，具有一定的代表性。
本教程是南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组根据TerraSolid公司软件的英文帮助文档、软件使用培训材料，特别是两年多来生产实践经验编写而成，版权归南京市测绘勘察研究院有限公司所有。
不经允许，不能随意翻印、传播，南京市测绘勘察研究院有限公司保留其所有权力。
本教程由南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组成员：韩文泉、黄金浪、刘行波、周伟、袁薇丽、郑真起草编写，由韩文泉统稿和最后修订，配套练习数据的组织由刘行波完成，测试由袁薇丽完成。
在本教程的编写过程中，LiDAR项目研究小组得到了南京市测绘勘察研究院有限公司总经理储征伟研究员的大力支持，并且给予大量指导和帮助，在这里表示由衷的感谢。
由于时间仓促，可能会有一些不恰当的词语描述，欢迎广大LiDAR数据处理专家提出宝贵意见。
第3讲LiDAR数据获取基本原理(2)3-数据格式技术对比
第三讲机载激光雷达数据获取基本原理——参数及数据格式常用商业LiDAR系统性能指标▪Leica公司LiDAR设备▪Optech公司LiDAR设备▪Riegl公司LiDAR设备Leica公司LiDAR设备Leica公司简介创建于1819年总部位于瑞士Heerbrugg，在瑞士证券交gg易市场挂牌上市Leica ALS系列Leica ALS50-II部件L i ALS50II▪激光扫描仪长56cm、宽37cm、高24cm、重30kg▪操作与控制终端（计算机）控制宽▪电源控制器长47cm、宽45cm、高36cm、重40kg▪CCD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参数▪扫描模式：摆镜（线扫描）方式▪°最大扫描角度：75▪最大扫描频率：90HZ▪最大发射频率：150KHZ▪最大发射频率的范围：150KHZ<550m；100KHZ<800m；50KHZ<1800m50KHZ1800▪激光器安全等级：四级▪POS系统：Applanix 510（美）、Honeywell（加）Leica ALS50-II精度▪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)▪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：200－6000mLeica ALS50-II其他参数▪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：1214台－Leica ALS50-II数据处理▪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。
lidar原理与应用
• 测绘学的分支：
•
大地测量学与测量工程
•
地图制图学与地理信息工程
•
摄影测量与遥感
• 大地测量学与测量工程：
大地测量是研究地球形状、大小和重力场及其变化， 通过建立区域和全球三维控制网、重力网及利用卫星测量 、甚长基线干涉测量等方法测定地球各种动态的理论和技 术的学科。
工程测量是研究工程建设和自然资源开发中各个阶段 进行的控制测量、地形测绘、施工放样、变形监测及建立 相应信息系统的理论和技术的学科。
平面坐标（X，Y）及高程（Z）的数据集。DEM的格网间 隔应与其高程精度相适配，并形成有规则的格网系列。根 据不同的高程精度，可分为不同类型。为完整反映地表形 态，还可增加离散高程点数据。
• 数字正射影像图（Digital Orthophoto Map— DOM）是利用数字高程模型（DEM）对经扫描处理的数
图4 Lidar数据地面点断面分布示意图
Lidar数据的处理
LIDAR数据处理包括原始数据预处理和点云数据 后处理两个阶段。
1、原始数据预处理 首先通过地面CPS的基准站和机载GPS的测量数 据的联合差分结算，即可精确确定飞机飞行轨迹。 然后利用仪器厂家提供的随机商用软件，对飞机 GPS 轨迹数据、飞机姿态数据、激光测距数据及激 光扫描镜的摆动角度数据进行联合处理，最后得到 各测点的(X，Y，Z)三维坐标数据。这样得到的是 大量悬浮在空中没有属性的离散的点阵数据，形象 地称之为“点云”。
图5 Lidar点云数据分布示意图
2、点云数据后处理
对Lidar点云数据进行后处理的目的就是将分布 在不同地面目标上的点进行分离。简单地说，就是 将落在地形表面上的点(即所谓的地面点)与那些非 地形表面上的点（譬如上面图中落在汽车上、树木 或植被上、以及落在房屋上的点）进行有效而准确 的分离。
lidar教程-第一部分
内部资料，注意保存LiDAR及其数据后处理技术初级培训教程南京市测绘勘察研究院有限公司二零零七年一月前言本来作为一本内部使用的资料，没有考虑它会有一个什么样的名字。
在2006年的时候，这本书的名字为“LiDAR数据后处理初级培训教程”，通过一年的使用，发现技术本身的连续性造成培训的效果不佳。
所以，在2007年元月把LiDAR技术的相关知识加进来作为本教程的第一部分。
使读者在进行枯燥的软件使用之前有一个良好的LiDAR技术基础知识，这更有利于培训和学习。
本教程的第二部分是主要部分，重点阐述了芬兰TerraSolid公司英文版软件使用初级技巧和方法，使读者能够习惯软件的操作方式，为进一步熟练的工程应用打下坚实基础。
这部分包括：TerraScan、TerraModeler、TerraPhoto三个软件模块的介绍、安装、初级使用。
跟随本教程有一套练习数据，有900兆的容量，涵盖了本书提到的软件所有功能的练习内容。
数据主要来自芬兰软件提供的培训数据和研究小组收集的工程实际数据，具有一定的代表性。
本教程是南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组根据TerraSolid公司软件的英文帮助文档、软件使用培训材料，特别是两年多来生产实践经验编写而成，版权归南京市测绘勘察研究院有限公司所有。
不经允许，不能随意翻印、传播，南京市测绘勘察研究院有限公司保留其所有权力。
本教程由南京市测绘勘察研究院有限公司LiDAR项目研究小组成员：韩文泉、黄金浪、刘行波、周伟、袁薇丽、郑真起草编写，由韩文泉统稿和最后修订，配套练习数据的组织由刘行波完成，测试由袁薇丽完成。
在本教程的编写过程中，LiDAR项目研究小组得到了南京市测绘勘察研究院有限公司总经理储征伟研究员的大力支持，并且给予大量指导和帮助，在这里表示由衷的感谢。
由于时间仓促，可能会有一些不恰当的词语描述，欢迎广大LiDAR数据处理专家提出宝贵意见。
我们的联系方式：联系人：韩文泉地址：南京市白下区王府大街8号 邮编 210005 南京市测绘勘察研究院有限公司七楼技术部电话：86-25-66675688EMail：cspringhwq@目录第一部分 LIDAR技术第1章 LIDAR技术概述 (4)1.1 LiDAR技术发展及相关介绍 (4)1.2 LiDAR技术原理 (5)1.3 LiDAR技术应用 (7)第二部分 数据后处理初级培训教程第2章 关于TerraSolid软件 (13)第3章 TerraSolid软件安装 (14)第4章 TerraScan教程 (16)第5章 TerraPhoto教程 (36)第6章 TerraModeler教程 (55)第1 章 LiDAR技术概述1.1 LiDAR技术发展及相关介绍LiDAR——Light Detection And Ranging，即光探测与测量。
LiDAR基础知识
这种模式中点密度是不均匀 的, 因为由于摆镜的减速使得 点倾向于向细长列的终端靠 拢. 使用电流计在在某种程 度上消除了这一问题
曲折 或 蜿蜒型模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
平行线模式
一个旋转的多面镜引导激光脉冲沿着平行线横穿细长列 。只在扫描方向上 生成数据点。这种模式的好处是可以获取在地面上散步均匀的点 。
因为LiDAR点散步整个树冠，所以人 们使用LiDAR数据开发用于估计生物 量的模型。 穿透树冠点的百分比信息可以与叶面 积指数 (LAI) 建立关联。
使用激光测距的原理
脉冲激光:
连续波激光（CW laser）
基本技术与原理-平台
• 为了实现精确的长距离测量，激光脉冲应具备以下特性：
– 大功率: 这样接收器可接收到可用的反射
– 短脉冲长度: 在时间测量方面，不确定性更少 – 高准直度: 因为光斑更小，所以不确定性更少 – 窄光谱: 小的带通滤波器用以减小噪声 – 对人眼安全: 当波长减小时，激光会变得更加危险 – 地物的激光光谱反射性: 这样反射（信号）是可用的.
通过对模拟波形间歇性地采样，获取全波形
全波形数字化
商业系统
公司
Optech International Inc Leica Geosystems Riegl
国家
加拿大 美国 澳大利亚
产品
ALTM Gemini,ALTM Orion ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
基本技术与原理
机载LiDAR系统部件
• • • • • 平台 扫描仪发射-接收单元 差分 GPS 惯性测量单元(IMU) 计算机
基本技术与原理-平台
激光雷达LIDAR-PPT精选文档
手段：IMU有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、 既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出 姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。 目的：获取机载LiDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏 角。
LiDAR的工作原理——POS系统：
DGPS与IMU对比：
DGPS系统：量测传感器的位置和速率，具有高精度，误差不随时间积累 等优点，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能两侧瞬间快速 的变化，没有姿态量测功能。 IMU系统：有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、 测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主 要缺点是误差随时间迅速积累增长。
侦察用成像激光雷达 障碍回避激光雷达 大气监测激光雷达 制导激光雷达 化学/生物战剂探测激光雷达 水下探测激光雷达 空间监视激光雷达 机器人三维视觉系统 其他军用激光雷达 弹道导弹防御激光雷达 靶场测量激光雷达 振动遥测激光雷达 多光谱激光雷达
LiDAR应用举例：
（一）激光成像雷达 激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显 示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等 ，有潜力成为重要的侦察手段。
LiDAR的分类：
按不同功能:
①跟踪雷达（测距和测角）; ②测速雷达（测量多普勒信息）; ③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）; ④成像雷达（测量目标不同部位的反射强度和距离等信 号）; ⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光的吸收强度） 等。
LiDAR的应用前景：
因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综 合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。
LiDAR基本的原理和相关的技术
机载LiDAR扫描原理-光纤扫描仪
优点：
•是发射光路和接受光路一一对应，激光发 射频率不受航高视场角约束
•点云数据密度均匀（同旋转正多面体扫描 仪）
缺点：扫描角固定
•数据获取范围小 •要求飞机平台低速飞行
激光束固定的纤维线阵
机载LiDAR多次回波信息-树木
1st 返回
从树顶
1st (仅一次) 从地面返回
• 必须立体相对，才能获得高程。在困难地区，即使有立体 相对也难以获得较高的高程精度
• 融合LiDAR点云和高分辨率光学影像，是三维可视化、地 物三维提取、三维线划图（3D DLG）提取的有效途径
传统摄影测量与LIDAR系统比较
摄影测量 被动式测量 采用覆盖整个摄影区域 间接获取地面三维坐标
获取高质量的灰度影像或多光谱数据
得到翻滚角检校值
自主软件用于基础测绘的实际生产成果 －－以敦煌数据为例
沙丘沙DE漠M敦河煌道敦市D煌E郊M市D郊SMDEM
自主软件用于三维矢量建模-三维树木精细模型
三维树木精细模型 （加入树叶和树干 纹理，添加光照）。 这是我们的成果
这是TerraSolid树建模 模块的成果பைடு நூலகம்
LiDar 数据处理
机载LiDAR研究背景和意义
机载LiDAR是新型航空传 感器。在对地观测领域， 其最初目的是为获取高精 度数字表面模型。经一定 处理，获得剔除植被、人 工建筑等以后的数字地面 模型。应用已经扩大到基 础测绘、林业管理、管线 选线、岛礁测绘、困难地 区测绘等领域
机载LiDAR系统直接获取高精 度的数字表面模型，还可以同 时获取回波、强度等数据为目 标识别、分类提供辅助数据。 机载LiDAR系统可以携带航空 多光谱CCD相机，具备了同时 获得多光谱CCD影像的能力， 为后续应用提供了丰富的数据 资源。
激光雷达基础知识
激光雷达基础知识激光雷达（Lidar）是一种利用激光技术进行测距和探测的仪器。
它通过发射一束激光束，然后测量激光束从发射点到目标物体再返回接收点所需的时间来计算目标物体的距离。
激光雷达具有高精度、高分辨率和快速测量等优点，因此在自动驾驶、地质勘探、环境监测等领域得到了广泛应用。
激光雷达的工作原理是利用激光束在空间中传播的特性来测量目标物体的距离。
当激光束照射到目标物体上时，一部分激光会被目标物体吸收或散射，一部分激光会返回到激光雷达的接收器上。
通过测量激光从发射器到接收器的时间，可以计算出目标物体的距离。
激光雷达通常由激光发射器、接收器、时钟和数据处理单元等组成。
激光发射器一般采用固态激光器或半导体激光器，可以发射出高能量、高频率和短脉冲宽度的激光束。
接收器用于接收返回的激光信号，并将其转换为电信号。
时钟用于同步发射和接收激光信号，确保测量的准确性。
数据处理单元用于处理接收到的激光信号，并计算目标物体的距离和其他相关信息。
激光雷达的测量精度取决于多个因素，包括激光束宽度、激光功率、接收器的灵敏度等。
为了提高测量精度，可以采用多点测量、多波长测量和多角度测量等方法。
此外，还可以通过增加激光雷达的分辨率和采样率来提高测量精度。
激光雷达的应用非常广泛。
在自动驾驶领域，激光雷达可以用于实时感知周围环境，识别障碍物和道路状况，从而帮助车辆做出正确的决策和行驶路径规划。
在地质勘探中，激光雷达可以用于测量地形的高程和形状，帮助科学家了解地球表面的变化和地质结构。
在环境监测中，激光雷达可以用于测量大气污染物的浓度和分布，监测空气质量和环境污染程度。
尽管激光雷达具有许多优点和广泛的应用前景，但它也存在一些限制。
首先，激光雷达的成本较高，限制了其在一些应用领域的推广和应用。
其次，激光雷达对环境的要求较高，例如在雨雪天气或大气浑浊的情况下，激光雷达的测量精度可能会受到影响。
此外，激光雷达还存在一些安全隐患，例如激光束直接照射到人眼可能会造成眼睛损伤。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
原理
激 光
方向性好、单色性好、相干性好
激光器到反射物体的距离(d)=光速(c)×时间 (t)/2
测高原理
结合GPS得到的激光器位置坐标信息， INS得到的激光方向信息，可以准确地计 算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z， 大量的激光点聚集成激光点云，组成点 云图像。
15
Business template
技术。
5
按不同信号形式
分类
①脉冲 ②连续波 ③每一类中又有不同的信号波形。
按不同探测方式
①直接探测（能量探测） ②相干探测（外差探测）
6
按不同功能
分类
①跟踪雷达(测距和测角) ; ②测速雷达(测量多普勒信息) ; ③动目标指示雷达(目标的多普勒信息) ; ④成像雷达(测量目标不同部位的反射强度和距离 等信号) ; ⑤同差分吸收雷达(目标介质对特定频率光的吸收 强度) 等。
可达10-3~10-4nm,而且频率稳定度能做得很
高，可实现高灵敏度外差接收。
18
LIDAR在测绘中的应用
激光雷达的应用
应用
1.跟踪 2.成像制导 3.三维视觉系统 4.测风 5.大气环境监测 6.主动遥感
19
应用
LIDAR在测绘中的应用
激光雷达的应用前景
13
Business template
原理
④光学扫描器 多面体扫描器，利用多面体(6-12面)
的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度 高，缺点是体积大、价格高;
检流计式振镜扫描器，扫描角<15°; 声子偏转器，利用声光效应使入射光线 产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫 描角不大，一般在±3°左右 压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的 新型扫描器 全息光栅扫描器 光学相位扫描 MEMS扫描器
散射激光雷达、微脉冲
3
概念
4
概念
激光LIDAR与微波LIDAR的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波 雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构 上有许多相似之处 工作频率由无线电频段改变成了光频段 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波 天线由光学望远镜代替; 接收通道中微波雷达可以直 接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处 理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成 电信号后进行处理。 信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟
12
Business template
原理
②光电探测器 适合于激光雷达用的光电探测器主要有
PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、 光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏 碲镉汞探测器 ③光学天线
透射式望远镜(开普勒、伽利略) 反射式望远镜(牛顿式、卡塞哥伦) 收发合置光学天线 收发分置光学天线 自由空间光路全 光纤光路下 波片(四分之一、二分之一) 分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
7
地面三维激光扫描技术
分类
它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合，对 目标物进行扫描成像，获取激光反射回波数据和目 标表面影像，并在软件支持下构建三维数字模型和 纹理的精确贴加，从而达到目标物快速、有效、精 确的三维立体建模。
8
分类
9
机载激光雷达扫描技术
分类
该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU(惯性制 导仪)和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物 的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生 成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取 提供精确的数据源。
10
分类
11
Business template
原理
组成
①激光器 激光器是激光雷达的核心器件。激光器
种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光 器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加 以综合考虑，其中包括: 波长、大气传输 特性、功率、信号形式、功率要求、平台 限制(体积、重量和功耗)、 对人眼安全 程度、、可靠性、成本和技术成熟程度等 。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光 器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极 管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
秒至飞秒量级)，以实现高精度(可达厘米量
级) 测距。
能量高度集中。用很小的准直孔径(10cm左右
) 即可获得很高的天线增益和极窄的波束
(1mrad左右)而且无旁瓣，因而可实现高精度
测角(优于0.1mrad)单站定位、低仰角跟踪和
高分辨率三维成像，且不易被敌方的谱线宽度
2
概念
激光雷达(LADAR-Laser Detection AndRanging) 是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器 件，以光学望远镜为天线的雷达。 早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetection And Ranging),这里所谓的光实际上是指激光。现在 ， 普遍采用LADAR这个术语，以区别于原始而低级的 LIDAR。 以后世界上陆续提出并实现: 激光多普勒雷达、激光 测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼
LIDAR
激光雷达技术
1
概念
“雷达”(RADAR-Radio Detection AndRanging)。 传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，
大约出现1935年左右。 最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美 国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天 飞行器交会对接，并研制出原理样机;1978年美 国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激 光雷达.
16
Business template 原理
17
Business template
原理
优点：
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。激
光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频
率非常高，因而速度分辨率极高。
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效
频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲(纳
原理
激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每 秒几万个脉冲，接收器将会在一分钟内记 录六十万个点。很多LADAR系统还能记录 同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在 树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更 多的树叶上，有些甚至打在地面上被返回 ，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、 Z坐标的点记录，并分层表示。利用这个 特点，我们可以通过分类和滤波处理，获 取地面高程，以及树高及建筑物的高度等 信息。