机载LIDAR系统的原理及结构
机载LIDAR系统的原理及结构
机载激光雷达(LiDAR)技术，是一种通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。
机载激光雷达系统集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。
其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术(数码相机)可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果，如高密度点云数据、高分辨率数字正射影像DOM、各种数字地形模型DTM、表面模型DSM、大比例尺地形图DLG等，并且利用激光LIDAR的高密度点云所形成的数字地表模型经过一定的加工可以制作真正在国土、规划和城市建设管理、以及数字城市建设中可以应用的3D电子沙盘。
传统的航空摄影测量制作技术主要依靠空中三角立体测量技术,依赖航空摄影、摄影处理、地面测量(空中三角测量)、立体测量、制图过程的生产模式,周期明显太长,已经无法适应当前信息社会的需要。
激光雷达(Light Detection And Ranging, LiDAR)技术是现代对地观测的最新技术之一,通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标,对地面的探测能力有着强大的优势,具
有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、地面基站布设少、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息等特点,是快速获取高精度地形信息的全新手段。
一、机载LIDAR系统的原理
机载 LIDAR 系统是一种集激光扫描、GPS\DGPS 和惯性导航系统三种技术于一体的系统，这三种技术的结合，可以高度精确地定位激光束打在物体上的光斑。
激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达毫米级。
机载激光雷达系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接受。
从空中的飞行载体上对地面进行测量的原理是“双路”时间测量方法。
即只需要记录激光信号从激光器发射到返回的时间，结合其他数据就可以准确的计算出地面光斑的准确的X、Y、Z坐标。
图 1 机载LiDAR航测原理图二、机载LiDAR结构设计
图 2 机载LiDAR结构设计
三、机载LiDAR系统外观
图 3 机载LiDAR系统外观（从左到右依次为：低空无人机、中空和高空LiDAR
系统）
四、机载LiDAR系统的特点
1、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；
2、高便捷、无控制：与传统航测相比较，地面控制工作大大减少，基本可以不
需要实现埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点上安置一个或几个GPS基准站即可，可以大大提高作业速度和效率；
3、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，高程精度可达万分之一的飞行净空高度；
4、高密集：激光点云数据很密集，一般每平方米1～10个激光点，数据可达到
很高的密度,高密集的点云数据能够真实反映地形地貌；对于特殊应用的低空飞行作业，其点密度可以达到每平方米50个点以上，如激光电力巡检作业；
5、高效率：飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成，从前期数
据的获取到后期数据成果的生成很高效；
6、高分辨率：能同步获取高清晰的数码影像数据；
7、高数据成果效率：采集获得的数据可以获得多种成果：DSM、DTM、DEM、DOM、
DLG、专题图、三维模型等；
8、可以对危险及困难地区安全地实施远距离测量、高精度三维测量；
9、多回波：是目前唯一一种能够测定森林覆盖地区地面高程的可行技术手段。
机载LiDAR技术概述及其应用
机载LiDAR技术概述摄影测量有着悠久的历史，国际摄影测量与遥感协会ISPRS （International Society of Photogrammetry and Remote Sensing）1988年给摄影测量与遥感的定义是：摄影测量与遥感是从非接触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体可靠信息的工艺、科学与技术。
其中摄影测量侧重于提取几何信息，遥感侧重于提取物理信息。
也就是说，摄影测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工艺、科学与技术。
因此，从19世纪中叶，摄影技术一经问世，便应用于测量。
它从模拟摄影测量开始，经过解析摄影测量阶段，现在已经进入数字摄影测量阶段。
当代的数字摄影测量是传统摄影测量与计算机视觉相结合的产物，它研究的重点是从数字影像自动提取所摄对象的空间信息。
诚然，目前的科学技术已相当发达，计算机和高新技术已被广泛应用，数字立体摄影测量已经成熟，相应的软件和数字立体测量工作站已经在生产部门普及，但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影——摄影处理——地面测量（空中三角测量）——立体测量——制图（DLG、DTM、GIS及其他）的模式基本没有大的变化。
这种生产模式周期明显是太长了，不适应我们信息社会的需求，不能满足“数字地球”对测绘的要求了。
LiDAR（LightLaser Detection and Ranging）技术是近数十年来摄影测量与遥感领域具革命性的成就之一。
自2003年来，LiDAR作为一项成熟的高科技技术手段逐渐得到市场采纳和认可。
它融合了激光扫描仪、IMU惯性测量单元、差分GPS以及航飞控制与管理系统等多项高科技技术。
目前，在欧美发达国家，像美国和德国以及亚洲的日本，激光技术已经得到了普遍的应用，它的应用领域几乎囊括了经济建设的各个方面。
机载三维激光雷达(LIDAR)扫描测量技术在长输管道测量中的应用
机载三维激光雷达(LIDAR)扫描测量技术在长输管道测量中的应用摘要：本文论述了机载三维激光雷达扫描测量技术在长输管道测量中的应用，并结合实际论述了该技术的方法和特点，该方法在管道测量中充分体现了其高精度、高密度、高效率、产品丰富等特点，为今后该技术在长输管道勘察设计中的应用提供了有力的技术支持。
关键词：机载激光雷达；激光点云；正射影响；数字高程模型1机载LIDAR技术简介机载三维激光雷达扫描测量(以下简称机载LIDAR- Light Detection and Ranger)技术是继GPS以来在测绘遥感领域的又一场技术革命。
LIDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。
机载激光扫描可以获取更小的目标信息，如高压线，可以穿透植被等覆盖物获得地面点数据，而且可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标，同时它也是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术，可以快速、低成本、高精度地获取三维地形地貌、航空数码影像及其它方面的海量信息。
特别是对长输管网工程地处山区密林、植被茂密、无人进入的区域，传统的测量技术无法满足工期的要求，而且人员进入测区非常困难，因此，本项目的测绘工作，采用了机载三维激光雷达扫描测量。
2技术内容2.1获取数据的方法和原理机载激光雷达测量系统设备主要包括三大部件：机载激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统POS(包括全球定位系统GPS和惯性导航仪IMU)。
其中机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据，测量地形同时记录回波强度及波形；航空数码相机部件拍摄采集航空影像数据；定向定位系统POS部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态，由GPS确定空间位置，由IMU测量仰俯角、侧滚角和航向角数据。
激光雷达工作原理图LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。
机载激光雷达测量系统解析ppt课件
LIDAR:AeroScan
INSAR:Star-3i
主要技术 参数
飞行高度:8000英尺； 频率：1500HZ； 带宽：1.8km； 4m点间距；
飞行高度：20000英尺； 频率：15000HZ； 带宽：8km； 5m间距；
主要 优点
垂直方向精度±15cm； 小区域及走廊区域最为理想；
非常适合植被覆盖和裸露区的真 实DEM提取； 扫描角内提供大范围扫描；
高精度高空间分辨率的森林或山区真实数字地面 模型 ③ 基本不需要地面控制点，地形数据采集速度快 ④ 作业安全 ⑤ 作业周期快，易于更新 ⑥ 时效性强 ⑦ 将信息获取、信息处理及应用技术纳入同一系统 中，有利于提高自动化高速化程度
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
4 机载激光雷达与机载InSAR的比较
6 工作流程及内业数据处理
飞行计划
GPS数据质量检查
系统参数测定和检校
航迹计算 激光脚点位置计算
外业数据采集
激光点云生成 分割
野外初步质量分析和控制
否 是
数据内业后处理
自动分类 内部QA/QC
手工分类 最后QA/QC
小结
1. 机载激光雷达测量的系统组成、激光扫描测距的 原理、动态GNSS定位、INS姿态测量系统、 GPS确定姿态的基本原理和方法
机载激光雷达测量系统的组成单元
测距单元
控制、监测、记 录单元
差分GPS 惯性测量单元
扫描仪
激光脚点 扫描方向
扫描带宽
激光雷达测距系统
•定义
包括：激光脉冲测距系统、光电扫描仪 及控制处理系统 原YA理G 激：光脉器冲是测以钇时铝测石距榴和石晶激体光为相基位质差的一测种距固
体 激光器 。钇铝石榴石的化学式是Y3 Al5 O15 ,简
无人机机载LiDAR航测技术道路测绘应用效果分析
无人机机载LiDAR航测技术道路测绘应用效果分析摘要：随着无人机空中航测设备的不断完善，无人机航测技术也将广泛应用于各行各业。
目前的无人机航测主要包括使用配备高清镜头的无人机从多个角度生成高清图像，使用高清点云投影算法生成实景3D模型，用实景3D模型标记地形，设计布局计划，并进行实景模型测量。
这种传统的无人机航测技术通过高清镜头进行数据采集,对于测绘精度的要求,测绘面积相对较小,植被率较低,在技术应用领域相对较好,但对于相对较高的植被覆盖率,测绘精度满足线性工程师的要求,传统航测很难达到项目的精度要求。
因此,研究激光雷达技术如何以更高的航测精度,以完成测绘任务成为研究的重点。
关键词:无人机;机载雷达;道路测绘LIDAR技术是近二十年来摄影测量与遥感领域具有革命性的成就，随着空间数据的使用越来越多，对准确可靠的空间数据的需求也在增加。
由于生产周期长，成本高，数据采集密度低，传统的摄影测量无法满足现代信息社会的要求，LIDAR是一种快速准确的地面3D数据技术。
一、LIDAR系统概述激光雷达(LIDAR)是LIGHR DETECTION AND RANGING的缩写,即激光探测与测量系统。
它使用单个激光脉冲来测量从激光源到目标和返回激光接收器的时间,同时结合飞机传感器的定位和方位数据来精确测量(目标)的三维坐标。
1.系统工作原理。
机载LIDAR是一个激光测距，测量传感器到位置的距离，而高精度星座观测系统(IMU)测量主扫描轴的正空间参数。
全球定位系统(GPS)是一种高分辨率的数码相机，它捕获与地面相对应的彩色数字图像，以确定扫描中心的空间位置，从而产生正射影像。
2.测量原理。
包括单束窄带激光器和接收系统，它产生光脉冲，向物体发送，最终反射接收器接收的物体。
光接收器精确测量光脉冲和反射之间的时间。
由于光脉冲以光速传播，因此接收器始终接收先前反射的脉冲，直到下一次脉冲调整发生。
由于光速是已知的，因此运动时间可以转换为距离测量。
LIDAR数据概述
LIDAR数据概述技术背景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。
LiDAR技术最早是欧美一些发达国家为了满足海图制图、港口和港湾测量的特殊需要于上世纪60年代中期提出并于80年代开发出来的，一直到上世纪90年代初该技术才趋向成熟。
现今，LiDAR系统主要分为两大类：机载LiDAR系统和地面LiDAR系统。
同时，按照使用用途和功能差异来划分，机载LiDAR系统又可分为用于获得地面三维信息数据的地形LiDAR系统和用于获得水下地形的海道测量LiDAR系统。
机载LiDAR系统（主要指地形LiDAR系统）机载LiDAR系统组成从功能上讲，机载LiDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)三种技术于一身的系统，这三种技术的结合，可以高度准确地定位地面目标的三维坐标。
现今的机载LiDAR系统中还配备有千万级像素的航空数码相机，同时获取地面的高清晰数码影像。
机载LiDAR系统机载LiDAR系统工作原理地球的表面以及覆盖其上的目标，譬如植被、建筑物等都可以对电磁波产生反射。
LiDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。
激光器产生并发射离散的激光脉冲，打在物体上并反射,最终被接收器所接受。
接收器准确地测量激光脉冲从发射到被反射回的传播时间。
因为激光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。
这种直接距离测量方法是基于短波电子信号在一个均匀的介质层内(即空气)，以恒定的速度直线传播，并且在不同的介质分界面(地球表面)被反射回来。
其一般原理可以简单描述为：C=C。
／n (1)其中，C。
为真空光速，n为介质，即空气折射率从激光发射器发出的激光光束到达地面并被反射后，被激光器上的接收单元接收和记录。
一般把从发射到接收这段时间称为运行时间t，这个时间参数t与光束的出发点和地面之间的双倍距离R成正比，由此可以计算出此距离：R =t?c／2(2)结合激光器的高度、激光扫描角度、时间参数以及GPS记录的位置参数和IMU记录的角度参数，就可以准确地计算出每一个激光点的三维坐标X、Y、Z。
2、机载LiDAR技术
250m
3.工作方式——主流设备（ IGI ）
德国IGI公司的Litemapper系列激光扫描仪有： Litemapper2400 Litemapper5600 Litemapper6800
Litemapper系列激光扫描仪主要技术参数
参 数
指 标
Litemapper2400 Litemapper5600 最大脉冲频率（kHz）
5.行业应用——灾害应急
地震带调查 地震带宽度及长度统计 滑坡、泥石流监测 应急救灾
谢谢!
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3.工作方式——主流设备（ Leica）
ALS50-II机载LiDAR系统 LS50 Scanner RCD105相机
3.工作方式——主流设备（ Leica）
LS系列激光扫描仪主要技术参数
指 标
参 数
ALS70 500 A LS60 200 A LS50-II 150
最大脉冲频率（kHz）
外业工作量大
外业工作量小
—— 仅布设少量地面基站，供后 期差分处理 ——进行国家/地方坐标转换，需 测量部分坐标转换控制点
外业工作
—— 布设大量地面控制点，无法 在地形复杂地区大量作业
3.工作方式
3.工作方式
激光、影像 联合作业方式
地面GPS 基站
3.工作方式——地面基站
基站要求
沿测区走向进行基站点布设，基站辐射半径为50公里； GPS采样频率为1~2Hz； 采样时间为飞行滑行前30分钟开始，飞行落地不动后30 分钟停止观测。
ALS70 ALS60 ALS50-II
3.工作方式——主流设备（ Leica）
LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用
LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用作者：陈亚仙来源：《华夏地理中文版》2015年第11期摘要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种新技术于一身的系统，可以根据得到的高精度、高密度的三维坐标数据来还原目标物的三维立体模型。
该技术目前主要运用于基础测绘DEM、DOM、DLG生产、精密工程测量、数字城市建设等多个领域，文章主要是介绍了LIDAR的技术原理和在测绘的应用。
关键词：LIDAR；技术原理；测绘；应用一、LIDAR的技术原理（一）系统原理。
LIDAR，激光雷达技术。
该技术可以通过三维坐标数据和实时摄影的数码影片，对实体或是场景进行3D模型的还原，使事物呈现出真实的形态。
以载体为依据，LIDAR技术可以分为两大类，分别是地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。
地面三维激光扫描技术的载体是地面，与传统的地面近景摄影测量相似，是通过激光扫描仪、数码相机和GPS，对目标物进行扫描，以获得激光反射回波数据和目标表面影像，然后利用相关软件，构件三维数字模型，并将目标表面影响贴加到模型表面，使目标物更加的精确。
对地面三维激光扫描系统进行改装之后，即可在固定设备上使用，同时也可以安装在汽车上，对行程中的场景和空间进行数据采集。
机载激光雷达系统是一款由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成的航空测量设备，具有高速度、长距离、高性能的优点，可以对目标物进行同步测量。
数据处理方式是利用特定的方程进行计算，最终产生的高密度的三维激光点云数值作为提取地形信息的数据源。
（二）测量原理。
相较于普通光波，激光的方向性、单色性、相干性都比较好，并且受到大气环境太阳光线的影响较小，激光测距的数据更为准确。
激光射到一个物体的表面反射回去的回波信号被系统接收器接收之后，仪器会计算出从激光射出到接收的时间，记为t，计算激光器到反射物的距离的公式为：距离（d）=光速（c）×时间（t）/2。
第3讲LiDAR数据获取基本原理(2)1-系统关键技术
13
记时误差 如果所接收的激光幅值很低，电压值未调整到 与发射时相同电压值，所记录时间就会过长！ 一般在记时器的前端安置一个放大器进行信号调 整 为避免因激光幅值变化造成记时错误 采用分数鉴别器，代替阈值鉴别器 按信号峰值的比例系数作为记时参照常量
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最大量测距离： 采用激光器发射激光脉冲时要考虑，避免最远 目标所反射的激光束还未返回就发射下 束激光 目标所反射的激光束还未返回就发射下一束激光 需要考虑可能的最大量测距离 与最远的目标有关 地形起伏？
8
关键技术
激光测距技术 全球定位系统技术 球定位 统技术 惯性测量系统技术 高性能二维扫描技术
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第一节 激光测距 基本原理 本
测量激光往返目标所需要时间，然后通过光速c （ 299792458m/s） 和大气折射系数 计算出距离
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第一节 激光测距
1、信号形式 1）脉冲测距 ）脉冲测距 发射脉冲波 测量脉冲信号往返时间差
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关键技术
激光测距技术 全球定位系统技术 球定位 统技术 惯性测量系统技术 高性能二维扫描技术
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全球定位系统技术
全球定位系统(GPS, Global Position System)： 是一种利用人造地球卫星进行点位测量导航的 是 种利用人造地球卫星进行点位测量导航的 技术。
全称是NAVSTAR GPS( GPS(NAVigation NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) 。
PT p peak
E pulse t pulse
PTav t pulse f pulse
假定脉冲频率为150KHz，脉冲平均功率为 脉冲平均功率为10W， 脉冲宽度为10ns，则发射功率峰值为6670W。 可见 尽管平均功率不大 脉冲激光测距能够产 可见，尽管平均功率不大，脉冲激光测距能够产 生很高的峰值功率；
机载激光雷达
四、机载激光雷达
LiDAR数据采集及处理流程
LiDAR 的应用
? 数字高程模型(DEM)的应用 ? 农林业方面应用 ? 电力行业应用 ? 公路勘察设计应用 ? 海岸工程方面应用 ? 灾害监测与环境监测应用 ? 数字城市应用
LiDAR在数字高程模型(DEM)的应用
和传统测绘方法相比，LiDAR 具有的优势： 1、能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。 2、建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响 3、在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势 4、Lidar 直接获取三维坐标，无需对DEM数据进行正射校正。
针对困难复杂环境下三维地表数 据的高精度获取和处理环节，以低 空直升机作为载体的激光测量，改 变传统地形图生产的制作流程和方 法，实现1:500大比例尺数字线划 地形图的快速生成。
LiDAR在海岸工程方面的应用
传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地 区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更 新基准测量数据。机载LIDAR 是一种主动传感技术，能以低成本 做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能 力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、 海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。
其应用已超出传统测量、遥感所覆盖的范围，成 为一种独特的数据获取方式。
四、机载激光雷达
激光测距原理 激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区
别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后 被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定 目标的距离。
激光器到反射物体的 距离(d)= 光速(c) ×时间(t)/2 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。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。
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。