1、無需光照條件或專門的太陽高度角可在白天、夜晚或相當惡劣的條件業全數字化0.5m 到 5m數據密集：典型激光光斑中心間距為15cm精度：地物建模應用情形，典型精度達機載平臺：易于快速獲取地表數據可在反射率較低的地區工作可對細小目標進行探測寬視場角：飛機傾角可穩定補償6、技術發展 20 世紀 70 年代，激光測距（登月計劃） 1980-1988，機載 lidar 可能性研究 1990，斯圖加特大學研制收個激光斷面測量系統 1993 1995 1999 2001 2002LiDAR系統 TopScan（ ALTM 1020 ）系統年，德國出現首個年，全球有 5年，全球約有LiDAR套30LiDAR幾

2、套系統7560LiDAR年，全球約有年，全球約有個公司使用了幾套系統系統120個公司使用了75 幾套LiDAR，年平均增長率為 7.1 ，市場份額從5 增長到 12%目前國內已引進20 余套機載激光7、激光特點：單色性、方向性、相干性系統具有很高的輻射能量在大氣傳輸中很少發生繞射8、微波遙感的局限性波長長，能量子能量少不足以與目標發生生化左右，無法探測目標的生化特性時，遇小于波長的物體，更易于發生衍射9、激光光源可見光波段He-Ne 和 Ar 激光器短波紅外波段Nd： YAG 激光器（最成熟）長波紅外波段CO2 激光器DPL ）（發展重點）：，對人眼安全，大氣消光比低，可采用光纖光路二極管泵浦

3、固體激光無需制冷，不易受（和集技術，結構小制作成本低，、高功率、高效率和高光束質量，可距離、強度成像11、激光成像基本結構12、激光成像高功率和束質量的輻射源（激光）：<1>氣體（ CO2，大氣傳輸性能好，大、需低溫制冷）<2>固體（ Nd：YAG ，不同波長可分別研究大氣散射、海洋勘測、測污）<3>半導體二極管激光器（體積小，高靈敏度接受技術（成像探測器）長）：<1>單元（每次獲得一個像素的數據，產生距離圖像、強度圖像）<2>面陣（二維陣列，成像像素多，成像速率不采用）<3>陣列探測器（將發射光分為N 束，同時照射N 點

4、，得到 N 個像素的距離強度信息，及二維信息， 對掃描器要求高， 可實現高速高分辨率成像，技術難度大）（高成像速率和高分辨率怒能同時滿足，探測器在速率不高分辨率高情況下采用）單元探測器時這一更加突出，面陣高性能二維掃描技術（掃描系統）：<1>力學（反射鏡轉動、擺動，體積大）<2>聲光（不包含機械運動，掃描角小，掃描速度快，耗電量大，需做冷卻處理）<3>二（將一分為多束，掃描速度快，掃描較小，體積?。﹫D像處理及目標識別算法（數據處理技術）13、激光成像掃描激光發展類型：單元探測器，通過平臺運動和掃描實現一定探測范圍的成像凝視激光：需發射激光，使發射光覆蓋整個成

5、像區域，通過面陣探測器接收回波，通過飛行時間測量或調制解調描方式需要機載運動掃描鏡等，實現并距，得到目標三維圖像。 較傳統掃凝視成像實現“瞬時”成像，結構簡單，成像速率高，分辨率高孔徑激光：在距離向上 發射大時寬帶寬信號， 對回波信號進行 脈沖壓縮 得到距離向高分辨率；方位向上 利用平臺與目標之間的相對運動，平臺不同位置的目標回波信號，經相數據處理在空間上一個虛擬的大孔徑，實現方位向聚焦，獲得方位向的高分辨率。實孔徑的衍射極限，當觀測距離達到數百公里甚至更遠時，它是唯一能夠在有限的光學孔徑條件下獲得厘米級分辨率的光學成像手段。14、為何發展激光成像集成系統激光成像集成系統：激光成像：距離信息準

6、確，強度信息質量差普通遙感相機：圖像信息豐富GPS：空間位置準確INS：姿態信息準確其他激光遙感觀測系統：CCNS4 導航IMU 與相機連接架接收飛機激光掃描儀航攝相機(IMU/DGPS)系統高精度位置姿態測量系統機載 DGPS 天線地面 DGPS由于激光成像技術可提供各種目標的距離圖像和強度圖像，可以滿足獲取第五幾何信息和物理信息的需要，但其強度圖像在影像分析方面信息量不夠。隨著 RS 技術和定向技術的發展，人們考慮組合一個集成系統，充分發揮各種技術的優勢。 激光成像系統 所提供的地物目標距離信息與GPS來，加上慣性導航系統（INS）提供的飛行平臺姿態信息，就可以結合起十分快捷地確。而同步工

7、作的其他RS 成像儀器 ，獲取地物定地物目標的位置、高程三維坐標目標的影像信息與激光成像系統所獲取的強度信息 可為地物目標分析提供豐富的光譜數據 ，這樣的集成系統是具有吸引力的。第二章 激光及激光系統1、激光的產生當某在獲得能量，處于粒子數反轉分布狀態時，稱之為激光工作物質。這種工作物質本身是某些原子自發輻射產生的光子，在過程中會作為入射光引起其他原子受激躍遷。由于工作物質處于粒子數反轉分布狀態，原子的受激輻射躍遷超過受激吸收躍遷，中的光就會得到 激勵和放大 。在工作物質兩端分別放置一塊反射鏡，會因兩端的反射鏡 往返一個 光學諧振腔 ，這樣， 沿著腔軸方向的光并很快得到 放大。那些方向與腔軸方

8、向有一定夾角的光在幾次往返后會逸出腔外，形成自激振蕩，產生了激光。沿腔軸往返的光由于受激輻射迅速放大，激光產生的條件：工作物質處于粒子數反轉分布狀態受激輻射躍遷超過受激吸收躍遷中的光得到激勵和放大2、激光器（公式理解）（1） ）定義：激光器（產生激光的裝置稱為激光器）由工作物質、抽運系統、光學諧振腔組成，其目的是通過激勵和受激輻射放大而獲得激光。（2） ）激光器各部位作用：工作物質 由抽運系統 被抽運到粒子數反轉狀態,因自發輻射產生向各個方向的光子，在光學諧振腔 的作用下，凡與腔軸有一定夾角的光束很快逸出腔外，沿腔軸方向的光則反復往返。（ 3）要求：激光要求具備發射高功率、窄脈寬、窄頻帶、較小

9、遠場發散角光束較高的脈沖頻率的激光器。（4） ）未來激光器的發展：實用角度、波長角度、輸出功率、新類型激光器（5） ）激光器分類：固、液、氣、半導體、自由電子激光器氣體： CO 2 （000 ）+e在 CO2 工作物質中加入適量CO 2 （001 ） +e（低能）N2 氣體，這時躍遷轉移概率最大，加入氨氣，CO 和 O2 可延長激光器氙氣，水蒸氣可使輸出功率增加，加入氫氣，<1>CO 2 激光器的優點：。對人眼安全、具有優良的大氣傳輸性能、有較大的輸出功率和能量轉換效率、易于進行外差探測<2>CO 2 激光器的缺點：需低溫致冷、某些波段激光反射率低，CO2 激光易被水固

10、體：吸收CO2 激固體激光器在相干性、脈沖重頻和輸出功率等方面受到局限，遇到光器的，固體可調諧激光器（波長可調）半導體激光器：高低能級的載流子作擴散運動，最終形成P-N 結，若加偏壓,在結區形成窄區域，導帶（高能級）底部能級被電子占據在結區形成窄區域，導帶（高能級）底部能級被電子占據, 價帶（低能級）頂部被空穴占據； 當導帶電子回到價帶空穴發生受激復合時就產生了激光3、激光的應用, 與自然科學、領域、信息處理、激光通信、醫學領域、軍事領域LiDAR測繪中應用：手持式激光測距儀、三維激光掃描儀、全站儀、機載、LiDAR4、激光：激光器與技術結合（ 1）特點：角分辨率較高、距離和速度分辨率高、目標

11、發生生化作用、可以對極小的目標進行探測能力強、能夠與一些（ 2）分類：P46 P47P50，第二講按結構分：系統（發射與接收信號共用一，由接收開關隔開）系統（發射部分和接收部分放置，目的是為了提高空間分辨率）（ 3）結構框圖5、光束整形通過整形器出射激光的指向、方位信息、光束排布狀況、等參數，使其形成一定的排布規律，便于檢測與分析 。對于激光許多應用，要求將基模光束整形為柱狀、具有平頂強度分布的光束。使光束強度在遠場具有平頂分布的之一，衍射光柵 。通過調整光柵周期 ，和刻線相位調制深度可以達到所要求的整形效果。6、激光掃描在光束整形之后 ，采用某種技術 使激光束發生偏轉 ，實現對某區域的目標進

12、行掃描。高慣性掃描：主要靠反射鏡或棱鏡的旋轉低慣性掃描： 電光棱鏡的梯度掃描、 振動反射鏡的非梯度掃描、增益或損耗的內腔式掃描衍射光學元件（ DOE）可替代旋轉平面反射鏡或棱鏡，省去了機械轉動部件，減少了折射元件數量，能對任意非球面誤差進行校正。7、激光探測的兩種的優缺點（直接探測、相干探測）直接探測：將接收到的激光能量聚焦到光敏元件上，產生與入射光功率成正比的電壓或電流相干探測：探測器接收目標回波信號和某一參考波的相干混合波信號 ，按照參考波的輻射源及其特性的不同進行探測。 分為外差探測， 零拍探測和多頻外差探測等。相干探測接受孔徑不能過大。相干探測與直接探測對比優點 ：探測能力強、轉換效益

13、高、信噪比高、濾波性好、穩定性和可靠性高。直接探測 的比較 簡單實用 ，普遍用于可見光和近紅外波段。在直接探測中, 探測器不能區別信號光與背景光采取濾光措施 。為了壓低背景噪聲和提高信噪比，必須相干探測能提高信噪比 和對微弱信號的探測能力，但比較 復雜，光源必須為 相干光源即 要求信號有很好的相干性，主要用于中、遠紅外波段。外差探測： 一般外差探測激光系統由一臺連續工作的激光器作為輻射源發出參考波， 稱地振蕩器， 系統接收到的回波信號與來自本地振蕩器的參考信號混合之后， 由混頻器輸出的光束聚焦到探測器上然后再進行信號處理零拍探測：本地振蕩信號是來自激光發射源的部分激光輻射，不需要另一個激光源。

14、零拍激光比普通外差激光結構更簡單，可靠性也更好。多頻外差探測：目標與激光的相對運動產生接收信號的頻移，可以提供有關目標的非常精確的信息要求外差探測具有很寬的頻帶，以覆蓋回波信號的頻率和外差探測信號頻率。三頻外差探測（有兩個輻射源，兩個反射信號與本地振蕩器信號混頻，成像在光敏探測器上）8、激光信號的大氣衰減類型（重點）（ 1） 大氣干擾 效應的表現：衰減（氣體和氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨等的吸收和散射）折射（由于大氣密度分布不均勻，導致激光沿光路產生折射）其他（大氣湍流，導致光束擴展和漂移；大氣吸收，引起光束相位變化）（ 2） 大氣衰減類型：大氣的 吸收：在大氣窗口內，水汽的連續吸收必須十分注意的

15、。線吸收（與單色光波長相應的大氣，如水汽， CO2），與高度密切相關）、連續吸收（大氣窗口內的大氣大氣的 散射：瑞利散射（光的波長遠遠大于粒子直徑）大氣米氏散射（氣溶膠散射，光的波長可與粒子直徑比擬時）雨滴、霧滴、霾等粒子，隨著高度的增加，散射系數很快減小大氣折射效應：激光通過大氣時因不同的折射率造成光程增加，路徑彎曲。大氣折射效應會造成目標位置和距離測量誤差。9、對衰減影響最大的因素（公式不記）與波長有衰減系數：Om 為液吸收系數散射系數， K m吸收系數， Oa 為氣溶膠散射系數， ka 為氣溶為第三章機載激光數據獲取基本原理1、機載 LiDAR 系統系統原理：原理：已知空間點G 的坐標的

16、坐標及該點到地面點標可以由 G 加 S 得到。P 的向量 S，則 P 點的坐激光測距單元：激光和激光產生激光， 由掃描裝置激光束發射出去的方向，掃描寬度由掃描視場（ FOV）決定發射和接收激光束的光孔是同一光孔 ，保證發射光路和接收光路是同一光路發射的激光束是一束很窄的光 ，發散度很小形成瞬時視場，激光束形成的一個照射角照射在一小塊地面接收被反射回來的激光束后由單元 進行2、機載 LiDAR 系統激光測距技術：<1>測距儀要求：（1） ）精度高（2） ）功率高使激光束的能量盡可能大，經過長距離的大氣損耗和目標吸收等能量損失后，回到探測器時能夠有足夠的能量；近距離消除技術 解決空中的

17、塵埃等干擾使一部分信號返回接收光路的情況（ 3）體積?。?5）波長合適大氣窗口、背景光的區別、目標反射率、探測器靈敏度、人眼安全<2>測距類型：（ 1）脈沖測距：測量脈沖信號往返時間差，測距精度取決于計時器的精度， 最大量測距離 應考慮避免最遠目標所反射的激光束還未返回就發射下一束激光，與最遠目標有關。脈沖發射頻率 是指一秒鐘內能發射多少次激光束，決定了相鄰的兩束脈沖的時間間隔， 由此決定了最大量測距離。為避免因激光幅值變化造成記時錯誤，在記時器的前端安置一個放大器進行信號調整， 或采用分數鑒別器 ，代替閾值鑒別器：按信號峰值的比例系數作為記時參照常量（ 2）連續相位差測距：測量往

18、返連續波的相位差了較高的測距分辨率和精度，最大量測距離又稱大不模糊距離，最短波長確定最長波長確定了最大量測距離，為二分之一最長波長（ 3）無論是脈沖激光還是連續波激光，最大測距與反射率的平方根和激光功率的平方根成正比。<3> 激光測距系統的測距精度 與測距信號的 信噪比 的平方根成反比，信噪比愈高，測距精度越高。（ 1）信噪比（ S/N ），信號功率與熱噪聲之比，其取決于很多因素，如：接收信號功率、信號帶寬、背景輻射、探測器響應靈敏度、放大器噪聲等。（ 2）脈沖測距精度較連續。脈沖激具有大功率、可遠距離測距等特點，不過脈沖系統要達到很高的精度需要非常高的技術法。（ 3）測距誤差來源

19、：和復雜的處理方噪聲、脈沖寬度和幅度、電的延遲以及時間測量單元中基準振蕩頻率的穩定性，以及激光功率、光束發散度、目標反射特性、探測器靈敏度、飛行高度、飛機姿態誤差（ 4）脈沖激光測距儀測距誤差：a)系統誤差（計數器誤差、大氣折射誤差、電光延遲誤差）隨機誤差（噪聲誤差、距離誤差、漂移誤差）b)（ 5） 連續波激光測距儀測距誤差：a)比例誤差（與距離有誤差，系統誤差）（真空光速誤差、大氣折射率誤差、測尺頻率誤差）b)固定誤差（與距離無照準誤差）誤差，偶然誤差）（數字測相誤差、幅相誤差、（ 6）要獲得較好的測距效果a)氣候條件：干、透明的大氣條件；b)時間條件：夜間最好，最壞的情況是白天陽光強烈；波

20、段選擇：選擇大氣透過率高的波段。技術：GPS，利用人造地球全球進行點位測量導航<1>優點：觀測站之間無需通視、精度高、操作簡便、全天候作業、實時速度快、<2>單點<3>差分在用戶性能好、性強：偽距觀測，一臺DGPS）：，精度差（，連續接收GPS 導航信附近設置一個坐標已知的差分基準站號，將測得的位置或距離數據與已知的位置、距離數據進行比較，確定誤差，得出改正值，然后將改正數發播給覆蓋區域內的用戶，用以改正用戶的結果。<4>LiDAR 系統的 DGPS 技術：由于高精度要求，采用載波相位差分GPS 技術，又稱為 RTK 技術，實時處理兩個測站的載波

21、相位觀測值，實時提供三維坐標，可達厘米級的高精度<5>LiDAR 系統中 GPS 作用：（1） ）確定成像時刻系統中心的地理坐標（2） ）提供相關數據給姿態測量裝置，提高測定姿態角的測角精度（ 3）提供導航數據<6>影響 DGPS 精度的主要因素：（1） ）動態 GPS 數據中的周跳（2） ）大氣延遲誤差的影響（3） ）多路徑 ( 機身造成 ) 誤差及作業區域的電磁干擾（ 4） GPS 信號的失鎖，可視數不夠（ 5）飛機離開基準站太遠，誤差的空間相關性降低慣性測量系統技術（INS ）<1>基本原理：利用陀螺和度計 等慣性元件 測量并計算得到運動體的相對位置、

22、速度和姿態等導航參數?？梢杂糜?、測速、輸出姿態信息，以及測定重力異常和垂線偏差、相對大地水準面起伏等。<2>慣性測量單元IMU ：度計等慣性元件的總稱，INS 的部件。 IMU 通常由三個陀螺和CPU 組成。（ POS 技術）：度三個陀螺，數字電路和<3>IMU 和 DGPS 組合DGPS 動態性能差，無法快速量測瞬間的變化，沒有姿態量測功能 ，但使用方便，成本低廉，可量測傳感器的位置和速率，精度高，誤差不隨時間積累 。IMU 技術的單獨工作，但其即能息 POS 技術：提高了問題高性能二維掃描技術誤差隨時間積累增長，使用時需不斷加以校準， 不能長時間、測速，又可快速量測

23、傳感器瞬間的移動，輸出姿態信精度、增強了系統可靠性、部分解決了采樣頻率低的<1>遙感傳感器類型：（ 1）掃描類型的傳感器（LiDAR）（ 2）其他遙感傳感器類型：攝影類型的傳感器、類型的傳感器、非圖像類型的傳感器<2>（ 1）擺鏡掃描：通過電機帶動 反射鏡反復擺動 一定的角度，實現激光束在地面的掃描。（ 2） 旋轉棱鏡掃描：通過電機帶動 多面棱鏡旋轉 ，由于鏡面的位置在不斷變化，導致反射光束的方向在一定的范圍內往復變化，從而實現激光束在地面的掃描。（ 3） 橢圓掃描方式：旋轉一在 地面形成橢圓掃描線（ 4） 光纖掃描：目前僅 TopoSys激光纖組將可以實現<2&

24、gt;掃描形狀：128 根光纖組， 256 根采用光纖掃描儀，目前已有掃描在地面形成的形狀，不僅取決于激光掃描裝置及其工作方式，也取決于飛行方向、 飛行速度和地形 。激光所照射的那些點并不是等間距的。由于有時 掃描速度不平衡 ，造成掃描線邊上的點出現異樣，需從數據集合中去除這些點。3、LiDAR同步處理系統獲取數據距離數據、強度信息、CCD 等遙感數據 DGPS 系統及 INS 系統等定姿數據、航跡文件激光點分布模式與技術數據等輔助數據這些信息數據必須通過同步信號保持相互關聯、匹配！離線時間同步方案：POS 數據和激光掃描數據在不同PC 機硬盤中。 POS數據與 GPS 時間相關，激光掃描數據

25、與PC1 的計算機內部時間相關。4、雙掃描儀組合技術 ：通過搭載兩個激光掃描儀，并使其同時工作，增加地面激光腳點密度5、LiDAR 數據獲取的有關參數（ 1）瞬時視場角（ IFOV ）：又稱激光發散角。是指激光束發射發散的角度。瞬時視場角的大小取決于激光的衍射。（ 2） 視場角（ FOV ）：激光束通過掃描裝置所能達到的最大角度范圍，目前比較先進的LiDAR系統的掃描角都在60 度-75 度左右，基本能夠達到航攝像機的視場角度范圍（ 3） 脈沖頻率：時間內激光器所能夠發射的激光束數量。脈沖頻率大會導致激光焦點過于密集，帶來大量冗余數據，影響數據處理的效果和效率。（4） ） 掃描頻率：線掃描方式

26、，每秒鐘所掃描的行數，即掃描鏡每秒鐘擺動的周期（5） ）垂直分辨率：脈沖通過的路徑上所能夠區分不同目標間的最小距離。若脈沖寬度為10ns，1.5m，其回波能量才可能經則在一個脈沖寬度內，不同目標距離至少為檢出，并區別開來。（6） ）最大飛行高度（最大量測距離）：系統所能精確測定的最遠距離。影響因素：激光功率、光束的發散性、大氣折射率、地物反射率、探測器靈敏度等等（7） ） 最小飛行高度：取決于飛行平臺的類型，探測地區的地形，人眼的安全距離。（8） ） 激光腳點光斑特性：取決于激光腳點光斑大小回波的多值性： 光斑內也許不同地物或有地面起伏，會造成同一束激光脈沖可能有多個回波信號動態重合系數及其影

27、響由于遙感平臺的移動 ，反射光束到達接收裝置時已不是原激光腳點的位置、大小和形狀了， 接收腳印與激光焦點光斑只有部分重合。動態重合系數 ：激光腳點光斑與接收腳印重合部分的面積與激光光斑的面積之比。動態重合系數與激光發散角、瞬時視場角、飛行高度、掃描速度和波束傾角有關。（ 9） 掃描帶寬 SW ：，角度為視場角（ 10）掃描行的點數N：，F 為脈沖重復頻率， fsc 為掃描頻率， N 與飛行高度和掃描帶寬無關。若要求點的密度大一些，可適當降低飛行高度。（ 11）激光腳點間距：a)旁向點距一條掃描線上相鄰激光腳點的間距，與掃描帶寬上的激光腳點數N 有關SW 和每條掃描帶b)航向點距沿飛行方向掃描點

28、之間的距離，航向激光腳點間距也與飛行高度無關，只與飛行速度和掃描頻率有關（ 12）最少航帶數 ：， W 為航帶寬度， q 為航帶間的掃描重疊度。要計算掃描帶寬，與航高有關，在實際制定飛行計劃時，航高的確定須根據區域內的最低點， 而航帶重疊度的計算則要依據區域內最高點，避免在掃描帶寬很窄的情況下產生遺漏。（ 13）實際測量面積 ：（14） ）量測點密度：（15） ）量測點數據量：，每點序號、坐標X、Y、Z 和時間按 4 字節，每點需要21 個字節，強度按一個字節（16） ）發射及接收激光束間隔內的飛行距離：距離很短，影響到動態重合系數的大?。?7） ）過采樣和欠采樣：，aL 為旁向直徑， dx沿

29、掃描方向的估計式為為旁向點距， Q>1 為過采樣，反之為欠采樣。6、常用商業LiDAR 系統（1） ） Leica 公司 LiDAR（2） ） Optech公司 LiDAR海洋用 LiDAR (SHOALS)， Leica ALS50-II，不涉足傳統測繪儀器，專攻激光：，僅用于軍方， ALTM 3100EA（ 3） Riegl 公司 LiDARRiegl LiteMapper5600：奧地利， 以長程廣角高精度的工程三維測量聞名，7、lidar 系統部件第四章 機載激光數據的處理1、lidar 工程的步驟：2、LiDAR 工程項目啟動，數據獲取，數據處理，精度評定，項目驗收飛行準備：（

30、1） ）掌握測區概況（地形地貌）（2） ）選擇 lidar 型號（3） ）選擇飛行平臺（一是飛行速度，主要影響的掃描頻率的設置，二是飛行高度，主要影響脈沖頻率的設置，進而影響點密度和精度）（ 4）申請航飛協調航空飛行（ 5）制定項目任務書（飛行高度，飛機型號，航攝分區，成果坐標系，野外控制點量測）（ 6）其他準備工作（地面航線設計：布設，配備，天氣預報，配備維護工具）（ 1）原則和：安全、周密、高效的原則，選擇最為合適的航攝參數（ 2）流程：傳感器選擇，坐標系定義，計算航飛范圍，選擇飛行速度、掃描角度、脈沖模式、點云密度等（ 3）步驟：建立航帶設計工程，設置平面坐標系和高程坐標系，加載據，導入

31、設計線位，航帶設計，重復以上步驟，完成所有航段的航線設計DTM數（4） ）單脈沖、多脈沖：同等點間距的設計要求下，多脈沖航飛效率高。且其優勢隨地形起伏變化增加越發明顯（5） ）配備數碼相機的航線設計：注意重疊度匹配，數碼相機航向重疊度設置和攝影基線檢查（ 6）最終航線檢查與地面模擬飛行：earth中瀏覽； 飛行飛行計劃到處到計劃導出到 FCMS 飛行管理（ 7）提交航飛設計數據：飛行件， kml 文件檢校場布設、測量：軟件中檢查；地面模擬飛行表，領航數據表，飛行文件，飛行示意圖文（ 1） IMU 和激光掃描儀的坐標系不嚴格平行，需校準（ 2）激光檢校場布設方案：校準lidar 的相對和絕對高程

32、），校準場（校準物（校準側滾和俯仰姿態），盡量遠離水面等低反射率的地區（ 3）案例：高、低航高：第四講，P22（ 4）檢校點布設方案：直線坐標系 WGS84點，零散點，所有點地物材料均勻，（ 5）相機檢校：相機與IMU 視準軸不嚴格一直，需進行視準軸檢校安裝與測試：（ 1）開箱驗貨與貨物清點（ 2）安裝步驟（ 3）飛機改造（ 4） GPS偏心分量測量（ 5）地面通電測試、（6） ）溫度處理（7） ）數據質量檢查與狀態評估檢校場地面配合和測區地面配合架設和地面配合：飛行操作與（ 1） GPS星歷：（2） ）地面通電測試與準備工作（3） ）飛行質量要求： 8 字飛行，地面靜態觀測，盤旋轉彎坡度要求

33、，飛行姿態要求，飛行速度要求（4） ）飛行作業和（5） ）激光掃描測量（6） ） GPS/IMU（7） ）數碼相機拍攝的空中操作定向測量（ 8）空中異常情況及處理數據檢查與質量（1） ）數據整理歸檔（2） ）日志文件（3） ）數據質量檢查：影像數據檢查（4） ）補飛和重飛數據預處理：GPS/IMU 數據解壓，導航文件精度指標，激光數據檢查， （1）地面點三維坐標計算：通過激光測距得到各點距離，由GPSINS 量略，得到掃描儀的位置，由測出掃描儀的姿態， 由這些量測值計算出地面上各點的三維坐標。第四講 2 后半部分）（ 2）調整航帶間點云不一致坐標系轉換： WGS84 轉地方局部坐標系（計算文件

34、生成3、基于 LiDAR點云濾波點云的 DEM生成（ 1）目的：提取地面點，剔除非地面點，利用地面點生成DEM 。（ 2）基于 LiDAR度分析數據生成 DEM的工作包含： 點云濾波、DEM內插、DEM精點云（距離數據）空間分布特征（1） ）地形平坦區域，由于激光脈沖的發射頻率一般是固定的，激光點規則分布（2） ）植被覆蓋區域，點云之間的規則間隔被打破，由于脈沖可以穿透植被形成多次回波，空間分布成團聚等不規則形狀（3） ）水、云、雨或煙霧等能吸收近紅外波段的激光脈沖，造成局部區域的點云空間（ 4）、光亮金屬或物邊緣等表面的強反射，以及脈沖的折射、多路效應等，會引起點云的x、y 或 z 值異常，

35、產生噪點識別地面點的依據：（ 1）露地表點云Z 值最?。?2）地物在垂直方向上形成層次分布，在相鄰地物之間，由于地面與地物的高度差異明顯，表現出高程突變現象基于高程突變的濾波的兩個基本前提：（ 1） DSM 中非地面點高于地面點（DEM ）（ 2）地面點高程變化太大 LiDAR 點云濾波典型（ 1）一維雙向掃描標記法A、算法思想：<1>認為非地面點與地面點的坡度大于地面點之間的坡度<2>認為地面點的高程，低于鄰域非地面點的高程B、地面點判別條件：C、算法步驟：<1>基于高程和坡度條件掃描標記出初始地面點：設起始點為房屋點 ,根據坡度與高程閾值按從右到左、從左

36、到右進行識別標記<2>基于線性法進一步去除非地面點：認為局部區域地面點坡度一致，利用線性衰減法進一步去除非地面點（計算坡度，從右到左，從左到右，取交集，線性衰減）（ 2） TopScan濾波A、濾波過程：<1>第一步，采用比較大的移動窗，在窗中搜索最低點，每次移動窗找出的最低點的全體形成初步地面模型<2>第二步，將所有點與此模型比較，在每一點上形成高差，值，則認為是非地面點，濾除<3 第三步，減小窗口，重復一、二步工作，搜索最低點，形成地面模型，改變差超過某個閾閾值，濾除與地面模型高差大的點，集合重復數次后得到比較精確的地面點高程數據<4>

37、窗口和濾波閾值大小的選?。捍翱谛。?可能會將大房屋的頂點保留，窗口大，會使地表平滑， 微小地形變化被濾除； 閾值大， 會將一些植被點作為地面點保留下來，閾值小， 會將真實的較小的地形突變點去掉；地貌密切相關。窗口和閾值大小與實際地形（ 3）基于多分辨率方向的點云濾波<1> 線性法若相鄰兩點距離比較近，而且二者的高程相差較小，則認為這兩點為同一類型點的可能性比較大； 否則較高點為地物點的可能性比較大。當然隨著兩點之間的距離的加大，較高點為地物點的可能性也隨之減小<2>方向法算法思想： 在某一距離范圍內，若當前點與所有方向值的差值均大于該距離條件下的最大高差限差，則該點為地

38、物點，否則為地面點。<3>多分辨率方向處理采用類似影像金字塔的方式，構建不同分辨率的數據集，以分辨率由低到高的次序依次進行平滑處理（ 4）移動曲面濾波<1>算法原理：激光點云的空間反映了地形表面的空間變化，任何一個復雜的空間曲面，其局部面用一個簡單的二次曲面擬合，部面到一定程度，甚至可以將該局部面元近似表達成一個平面。<2>算法步驟：1.首先，選擇初始地面點，選擇局部最低的三個點作為點；2. 然后，進行初始平面擬合；接著，基于平面擬合方程判別鄰近激光點，當擬合點數達 6 個時，改用二次曲面方程進行地形擬合；3. 最后，基于二次曲面方程進行地面點的迭代判別，并

39、不斷更新地形曲面，完成 LiDAR 點云的濾波。<3>算法難點：點的選擇以及濾波閾值的確定點選擇不恰當會使得曲面迭代擬合結果陷入極值，無法得到正確結果；同時濾波閾值需要根據地形起伏自適應地變化，否則難以取得較好的效果。（ 5）基于 TIN 加密的點云濾波<1>原理：1.獲取一定的地面點組成初始的稀疏不規則三角網；2.對各點進行，如果該點到三角面的垂直距離及角度小于設定的閾值，將該點加入地面點集合，實現TIN 的不斷加密。3.重新計算不規則三角網，然后再對非地面點集合內的點進行判別。4.如此迭代，直到不再增加新的地面點，或者滿足給定條件為止。<2>過程：1.采

40、用逐級內插2 逐步迭代，由粗到細的內插。迭代條件：點與三角形的夾角不能大于一定的限度點與所在三角形的距離不能大于一定的限度<3>點選取思路：物一般<4>算法難點：覆蓋較大的區域；這個范圍內的低點一般是地面點。需要先將低的噪聲點去除，否則會造成沒有點可以選入的情況；對于低矮植被不容易去除；對于陡峭的小山坡也會發生錯分的情況。（6） ）自動濾波難點：局外點的影響，對象的復雜性，附著對象，點云分布不均勻、有斷裂（7） ）目前 LiDAR 點云濾波算法研究現狀：濾波算法研究趨勢：高精度全自動高性能運算融合輔助數據源的濾波優化算法 DEM 生成（ 1）地面空白填補濾波之后產生了一

41、些空缺點，如房屋頂點濾除后，應補上所在位置的高程。需要進行 DEM 的內插處理。DEM內插：反距離權重法（ what？）等。不同的插值效率，也適用于不同的插值用途。（ 2） DEM 模型： 規則格網模型， TIN 模型，混合模型。4、精度分析疊加對比分析：對應不同的插值精度以及插值激光掃描數據生成的等高線與攝影測量生成的等高線疊加對比。抽樣統計分析：選擇植被較少或沒有植被的平坦地區作為檢查區域，與差分 GPS 測量結果進行比較，得到高程殘差統計圖。5、LiDAR 優勢費用成本低：與攝影測量比較，所需費用只是其四分之一左右，節省了山區林地地面實測的費用、內業處理的費用等。限制條件少：飛行季節、時

42、間、天氣的限制較少，冬季也可以進行，既便有雪也無礙；白天黑夜都可以工作；在陰天，6、飛行建議飛行掃描同樣有較好的結果。時間：在 11 月到第二年三月間進行，最好選擇無雪無雨的日子。參量： 飛行和掃描參量根據需要確定，均掃描點距也有要求。掃描點的分布盡可能規律，對精度和平：使用GPS 差分處理，提高精度。檢測區域：選擇平地或斜地，植被覆蓋盡可能少，量測點密，量測精度高。檢測： 95%的點精度優于7、強度信息數據處理：3dm 才算。重采樣，去粗差，取整、拉伸，去噪（椒鹽噪聲，融合去噪，基于平坦度的強度圖像去噪），應用處理8、結合 LiDAR 強度和距離信息實現道路的自動提?。?1）先利用距離信息生

43、成了DEM（2） ）再基于強度信息進行濾波操作（3） ）最后對距離圖像按數字圖像處理的提取道路：a)高程約束，強度約束，道路條帶優化處理，邊緣追蹤，剪枝b)道路中心線、道路雙邊線9、基于 LiDAR數據的道路提取（道路特征、質量評價指標）道路提取回顧（ 1）基于影像的道路提取：低分辨率道路檢測、高分辨率道路檢測、多尺度道路檢測（ 2）基于 LiDAR 數據的道路提?。褐苯踊?LiDAR 數據、結合輔助數據（道路提取的質量評價：GIS 數據庫信息、高分辨率影像）完整度指標、正確度指標、遺漏度指標、冗余度指標、總質量指標基于特征約束的道路條帶提取（高程及強度約束的多尺度道路提?。?1） 道路特征

44、分析：幾何特性、輻射特性、拓撲特征、功能特征、下文特性）（ 2） 基于高程約束的道路點提取：（3） ） 基于強度約束的道路點提?。侯A處理：粗差剔除、平滑處理（4） ）道路條帶優化處理：基于密度的孤立噪聲點剔除， 基于面積的孤立區域剔除 （點云拓撲區域連通性分析、面積閾值分割）構建、道路特征提?。旱缆诽卣魈崛〉缆分行木€、道路輪廓線以及道度的提取等。（ 1）預處理（形態學閉操作），道路中點的檢測（細化處理），道路中線提?。ɑ诙喑叨鹊牡缆分芯€追蹤）（2） ）基于多尺度的道路中線追蹤（3） ）道路曲線的簡化處理（4） ）道路輪廓線的自適應提取具體步驟：自適應中值濾波、梯度計算、非極大抑制、閾值的自適

45、應確定、道路輪廓點提取（ 5）基于道路輪廓線的寬度提取步驟：<1>根據測區的道度情況，設定道度檢測的結構元素的范圍<2>從某一條道路中線的起點出發，根據該點處的道路度方向搜索道路輪廓點，利用結構元素沿道<3>利用結構元素探測道路左右兩側的第一個輪廓點，若同時，則并分別計算輪廓點與當前點的距離，行步驟<4>取最小距離值為道路半寬，繼續探測下一點； 否則執<4>擴大結構元素<2>驟<3>；若結構元素，已達最大，則轉到步驟<5>該探測過程迭代（ 6） 道路提取約束：驟<2>至<4>

46、，直至所有道路中線點處理結束為止a)高程、強度、密度、面積約束b)區域連通性分析道路條帶與原始點云疊加c)基于相位編碼圓盤的道路提取（ 1） 基本步驟：a)基于高程的道路點約束提?。ǔ２捎脼V波處理）基于強度的道路點約束提取b)c)基于數學形態學、相位編碼圓盤的道路特征提取利用相位編碼圓盤與路段灰度圖卷積，經過卷積可以得到幅度圖像和相位圖像，以得到道路的特征矢量線道路特征矢量線生成：道路中心線：連接道路中心線段，形成道路網；道路雙邊線：以中心線為標準，半為距離作平行線（可由卷積算法自動導出）；10、基于 LiDAR數據的橋梁提取及重建基于 LiDAR 點云的橋梁提取A、步驟：<1>大

47、物體過濾（剔除大型物）利用物體的拓撲特征，將點云數據劃分成幾個不同方向的條帶，條帶寬度取略大于平均點距， 根據條帶計算并獲取鄰接邊高程突變。疊加各個方向的連通圖，找連通分量， 根據線段屬性和閾值連通分量是否代表大物體，濾除大物體。<2>橋梁提?。ǜ鶕蛄禾卣?、橋梁與小物體的不同）（ 1）橋梁和小物體的區分特點：a)橋梁至少有兩邊與地面相連；b)橋梁本身要高于周圍地面點；c)橋梁至少有兩個長邊，且長度要大于橋梁寬度等特點。（ 2）步驟：a)第一，預處理。計算每個點的光滑性（用鄰域擬合平面，計算平面與實際高程的殘差的標準差）和不連續性（用鄰域計算最大高度差）；b)第二，尋找點：劃分條帶

48、，根據線段，獲取滿足橋梁高于地面的特征的線段，提取線段上的點為點；c)第三，由點構造三角網， 過濾掉長度大于閾值的邊，尋找連通區域，連通區域構造的凸包即為潛在橋梁；d)第四，根據橋梁形狀和結構特征，是否為橋梁。若是，則根據提取的橋梁凸包邊界，用原始數據點填充，得到橋梁候選點。<3>橋面重建（構建TIN）（ 1）第一，剔除離群點：由于利用凸包提取到的橋梁點是所有橋梁范圍內的點，因此可能有明顯高于或低于橋面的離群點，因此需要去除離群點。 對于每個點， 搜索其固定半徑內的點數， 對于點數小于閾值 （閾值由點云密度自適應設定）點，認為是離群點，進行去除。（ 2） 第二，橋梁點建TIN：對橋

49、梁點構建二維三角網，并將每個點的高程值賦給三角形頂點。（ 3）第三，剔除狹長三角形： 去除長度大于閾值的三角形。結合 LiDAR 數據與遙感影像的橋梁提取及重建A、步驟：（1） ） LiDAR 點云分類和立交橋激光點的提??；（2） ）基于立交橋激光數據的橋面邊緣線和中心線提??；（ 3）集成遙感影像和LiDAR 數據的橋面邊界線精確提?。唬?4）橋體遮擋部分的識別與提??；由于遮擋部分的面積有限，因此該部分的曲面變化不復雜，應滿足平滑且簡單的特點， 可利用前后路段鄰域點集，代入曲面方程中求解未知參數，獲得遮擋區域近似曲面。 為了保持整個路段過渡的連貫性和平滑性，處理時采用最小二乘法進行曲面擬合。（

50、 5）橋體三維建模。11、LiDAR基本應用（ 1） DEM 、DSM（2） ）地物提?。海?） ）目標分類（4） ）城市變化檢測（5） ）工程測量、制圖（6） ）數字城市、城市物、道路、橋梁、電力線、植被等等12、物的提取基于光學影像的方式的（ 1）包含內容：物提取a)物的和檢測將其與其他地物分離確置b)物的表征和描述表述物，常用幾何形狀模型、高程模型c)物識別檢測結果與模型比較，精確識別物形狀類型類型d)物的三維重構從圖形中獲取三維信息，構造物在真實場景中的模型e)應用環節：物變化檢測：根據不同的圖像檢測變化，改建、擴建、毀壞等（ 2） 基于影像的提取a)利用單幅影像陰影分析的b)通過邊緣

51、檢測獲取物邊界的c)利用像對進行人工判讀d)利用數字攝影測量工作站進行半自動或全自動的物提?。?3）與 lidar 區別a)基于光學影像的處理方式：依賴地物反射光譜信號、影像匹配技術、 采用半自動或全自動的攝影測量b)進行提取?；?LiDAR 點云的處理技術： 主動工作方式，受天氣影響小，快速獲取目標高精度的三維點云。LiDAR基于（ 1）點云的方式的物提取物檢測（分割）<1>由激光掃描數據建立房屋模型,首先必須將房屋點從點云數據中識別、提取出來，即分割。<2>一般步驟：a、檢測出物激光腳點數據，即分割；b、分割后得到的結果為離散的空間點，為了方便物特征提取及重建，需

52、進一步確定各物激光腳點所屬的物，即建立多對一的（多個激光點對應于一個物）。<3>分割：a、局部直方圖分析：在數據密度足夠大，地面起伏不大的情況下，可采取局部極值檢測，并以極值點為中心進行局部直方圖分析，得到合理的閾值，實現房屋點的檢測。b、采用濾波：濾波濾除非地面點，可用于房屋點的提取。c、利用激光掃描回波強度數據：作為分析房屋的輔助數據，與反射率有關，數據質量較差。d、利用二維 GIS 信息：利用已有的圖形數據，輔助物的提取；但需要注意實際的屋頂面常常比圖形數據所顯示的面積要大。e、利用影像數據：現有的LiDAR系統在飛行時會同時載有多光譜和高光譜掃描儀，其影像數據將大大有助于房屋的提取。<4>物分割過程