機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

激光測(cè)距原理激光雷達(dá)最基本的工作原理與無線電雷達(dá)沒有區(qū)別，即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測(cè)量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。

激光器到反射物體的距離(d)=光速(c)×?xí)r間(t)/2激光束發(fā)射的頻率能從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬個(gè)脈沖，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)。結(jié)合GPS得到的激光器位置坐標(biāo)信息，INS得到的激光方向信息，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)激光點(diǎn)的大地坐標(biāo)X、Y、Z，大量的激光點(diǎn)聚集成激光點(diǎn)云，組成點(diǎn)云圖像。第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

激光雷達(dá)工作原理圖第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備主要包括三大部件：機(jī)載激光掃描儀、航空數(shù)碼相機(jī)、定向定位系統(tǒng)POS（包括全球定位系統(tǒng)GPS和慣性導(dǎo)航儀IMU）。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

POS系統(tǒng)：POS系統(tǒng)部件測(cè)量設(shè)備在每一瞬間的空間位置與姿態(tài)，其中GPS確定空間位置，IMU慣導(dǎo)測(cè)量仰俯角、側(cè)滾角和航向角數(shù)據(jù)。機(jī)載LiDAR采用動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)，利用安裝了電機(jī)上與LiDAR相連接的和設(shè)在一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站的至少兩臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)同步而連續(xù)地觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)、同時(shí)記錄瞬間激光和數(shù)碼相機(jī)開啟脈沖的時(shí)間標(biāo)記，再進(jìn)行載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理，獲取LiDAR的三維坐標(biāo)。慣導(dǎo)的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)實(shí)踐進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

激光掃描儀：機(jī)載激光掃描儀部件采集三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量地形同時(shí)記錄回波強(qiáng)度及波形激光掃描儀，是LiDAR的核心，一般由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間間隔測(cè)量裝置、傳動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)和軟件組成。線激光器發(fā)出的光平面掃描物體表面，面陣CCD采集被測(cè)物面上激光掃描線的漫反射圖像，在計(jì)算機(jī)中對(duì)激光掃描線圖像進(jìn)行處理，依據(jù)空間物點(diǎn)與CCD面陣像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算物體的景深信息，得到物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，快速建立原型樣件的三維模型。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

數(shù)碼相機(jī)：航空數(shù)碼相機(jī)部件拍攝采集航空影像數(shù)據(jù)。利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息，經(jīng)過糾正、鑲嵌可形成彩色正射數(shù)字影像，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別，或作為紋理數(shù)據(jù)源。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一機(jī)載LIDAR的特點(diǎn)一種直接測(cè)量系統(tǒng)（主動(dòng)式）；能夠穿透植被的葉冠；基本不需要地面控制點(diǎn)，基本不需要進(jìn)入測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)；24小時(shí)全天候工作；數(shù)據(jù)的絕對(duì)精度在0.30米以內(nèi)；提供密集的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)(點(diǎn)間距可以小于1米)；可同時(shí)測(cè)量地面和非地面層；具有迅速獲取數(shù)據(jù)的能力。四、機(jī)載激光雷達(dá)

第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、機(jī)載激光雷達(dá)

LiDAR數(shù)據(jù)采集及處理流程第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR的應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)的應(yīng)用農(nóng)林業(yè)方面應(yīng)用電力行業(yè)應(yīng)用公路勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用海岸工程方面應(yīng)用災(zāi)害監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用數(shù)字城市應(yīng)用第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在數(shù)字高程模型(DEM)的應(yīng)用

和傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比，LiDAR具有的優(yōu)勢(shì)：1、能更快捷、經(jīng)濟(jì)地獲取高密度、高精度的大面積的高程數(shù)據(jù)。2、建筑物和植被陰影對(duì)周圍物體測(cè)量不造成的影響3、在其他的測(cè)量儀器難以到達(dá)的區(qū)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)4、Lidar直接獲取三維坐標(biāo)，無需對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行正射校正。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在農(nóng)林業(yè)方面應(yīng)用

激光雷達(dá)技術(shù)能夠精確地獲取樹木和林冠下地形地貌和農(nóng)作物信息，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查與規(guī)劃利用中，我們可以利用激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)，分析森林樹木、農(nóng)作物的覆蓋率和面積，了解其疏密程度以及不同樹齡樹木的情況、推算其數(shù)量，以便于人們對(duì)森林和農(nóng)業(yè)進(jìn)行合理規(guī)劃和利用。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在電力行業(yè)應(yīng)用對(duì)于規(guī)劃電網(wǎng)線路，通過機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)采集和處理的規(guī)劃沿線數(shù)據(jù)，為電力線路優(yōu)化，外業(yè)勘測(cè)，設(shè)計(jì)施工提供數(shù)據(jù)支持與指導(dǎo)。對(duì)于已建設(shè)電網(wǎng)線路，利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)采集和處理的電網(wǎng)沿線數(shù)據(jù)，可以恢復(fù)電線實(shí)際形狀，自動(dòng)測(cè)量電線到地面的距離和相鄰電線間距，計(jì)算垂曲度、跨度等，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警，以便及時(shí)調(diào)整與維修線路。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在公路勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用傳統(tǒng)的公路勘察設(shè)計(jì)方法主要基于航空攝影測(cè)量輔之于人工測(cè)量的方式，但是航空攝影測(cè)量方法受天氣、地形、植被的影響和精度限制，無法獲取橋隧設(shè)計(jì)所需的1:500比例尺高精度數(shù)據(jù)資料；而采用GPS、全站儀等人工地面測(cè)量的方法，由于地勢(shì)陡峭、植被遮擋等原因，往往難以施測(cè)且很難適應(yīng)工程建設(shè)的需求。

針對(duì)困難復(fù)雜環(huán)境下三維地表數(shù)據(jù)的高精度獲取和處理環(huán)節(jié)，以低空直升機(jī)作為載體的激光測(cè)量，改變傳統(tǒng)地形圖生產(chǎn)的制作流程和方法，實(shí)現(xiàn)1:500大比例尺數(shù)字線劃地形圖的快速生成。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在海岸工程方面的應(yīng)用傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)有時(shí)不能用于反差小或無明顯特征的地區(qū)，如海岸及海岸地區(qū)。另外海岸地區(qū)的動(dòng)態(tài)環(huán)境也需要經(jīng)常更新基準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)。機(jī)載LIDAR是一種主動(dòng)傳感技術(shù)，能以低成本做高動(dòng)態(tài)環(huán)境下常規(guī)基礎(chǔ)海岸線測(cè)量，且具有一定的水下探測(cè)能力，可測(cè)量近海水深70m內(nèi)水下地形，可用于海岸帶、海邊沙丘、海邊提防和海岸森林的三維測(cè)量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在災(zāi)害監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用利用機(jī)載LIDAR產(chǎn)生的DEM，水文學(xué)家可以預(yù)測(cè)洪水的范圍，制定災(zāi)難減輕方案以及補(bǔ)救措施。也廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害（如颶風(fēng)、地震、洪水滑坡等）的災(zāi)后評(píng)估和響應(yīng)。由于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)成的三角網(wǎng)高程值可以用顏色表示不同高度的水位，對(duì)于水利測(cè)量、水災(zāi)評(píng)估都極有用處。城市淹沒分析第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在災(zāi)害監(jiān)測(cè)與環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用泥石流監(jiān)測(cè)地震斷裂帶監(jiān)測(cè)第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一LiDAR在數(shù)字城市方面的應(yīng)用在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時(shí)代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此，對(duì)快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活提出了更高的要求。LIDAR系統(tǒng)在城市中更能體現(xiàn)其不受航高、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢(shì)，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動(dòng)化程度高，能夠滿足分析與測(cè)量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一城市整體規(guī)劃第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一具有多次反射LIDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理（消除大誤差）消除樹叢（利用多次反射）分類地面點(diǎn)刪除地面點(diǎn)清除噪聲和碎片得到建筑物點(diǎn)生成DEM生成DOM提取建筑物矢量輪廓三維數(shù)字建筑物模型航空影像利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一矢量數(shù)據(jù)