遥感应用模型综述课件：08LIDAR原理概述

LIDAR原理概述LiDAR的基本原理的基本原理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。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：Light Detection And Ranging-LIDAR。激光雷达的历史LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（Global PositioningSystem、GPS）及惯性导航系统的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multiple echoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。目前激光雷达的应用激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。高精度高精度 全天侯全天侯 全数字全数字Airborne Laser Terrain MapperLIDAR 组成部分组成部分Airborne Laser Terrain Mapper控制机柜计算机控制机柜计算机存储设备存储设备激光头激光头飞行管理飞行管理 导航导航便携电脑和接口便携电脑和接口飞行员显示屏飞行员显示屏ALTM 3100在飞机上的安装在飞机上的安装飞机飞机控制柜控制柜传感器传感器1993 ALTM 1020 5 KHz1997 ALTM 1025 25 KHz2001 ALTM 3033 33 KHz2002 ALTM 2050 50 KHz2003 ALTM 30/70 70 KHz2004 ALTM 3100 100 KHzLIDAR 技术发展进程技术发展进程平面平面better than 15 cm at 1,200 mbetter than 25 cm at 2,000 mbetter than 35 cm at 3,000 m高程高程 better than 1/2,000 x altitude精精 度度100 KHz城市测量城市测量城市测绘城市测绘洪水研究洪水研究0 m8 m16 m洪水模拟洪水模拟变化监测变化监测海岸带海岸带:侵蚀监测侵蚀监测1998199920002001林林 业业 和和 产产 量量 估估 计计灾害评估灾害评估Corniglio Landslide,Italy灾害评估灾害评估Courtesy of UKEACourtesy of UKEA农农 业业农农 业业Ohgaki,JapanCourtesy of NAS洪水评估和农业洪水评估和农业Farmland in South Korea电力线测图电力线测图 线路评估线路评估 植被侵犯评估植被侵犯评估 电力线断裂事故的防止电力线断裂事故的防止 电力负荷评估电力负荷评估 森林火灾防止森林火灾防止 安全评估安全评估All DataAll DataTransCanada Pipe Line管线测图管线测图Back管线走廊测图管线走廊测图城市三维立体影像城市三维立体影像系统工作示意图Lidar数据处理系统LIDAR系统数系统数据获取据获取及数据及数据处理技处理技术流程术流程系统功能Lidar数据特点Lidar是非成像方式传感器空间分布的离散的点云数据。数据量大，分布不均匀。DSM和DTMDSM、真正射影像和红外假彩色影像融合效果植被高度数字模型高压输电线路数字模型可以达到的精度IMU：采样率为128HZ，记录三轴姿态角的精度分别为Phi/Omega0.005，Kappa 可达到0.01。LIDAR：测距分辨率5mm。DGPS（差分GPS）：平面精度可达到10cm，高程精度可达到5cm。DC：根据飞机航高的不同，数码相机每个像素所代表的地面实际距离为5cm 到50cm。飞机航高在1000m以内，基站距离测区小于30Km，GPS 无严重失锁，检校场布设也比较理想的情况下，LIDAR 系统所能达到的精度，平均每个激光点的点位误差：平面0.2m 0.5m；高程:0.10m；系统实际精度可生产500-2000比例尺的DSM、DEM 和正射影像，正在对相应产品的精度做评估。目前已经完成的主要工作数据滤波：活动轮廓法（Active Contours），（Elmqvist,2001），规则网格法（Regularization Method），（Sohn and Domain,2002），Roggero的改良斜率式过滤法（Modified Slope Based Filter），曲线内插法（Slipe Interpolation），（Brovelli,2002），渐进式不规则三角网加密法（Progressive TIN Densifiction），（Axelesson,2001），改良式斜率过滤法（Sithloe,2001），（Pfeifer et al.,2001）的阶层式强钝内插法（Hierarchical Robust Interpolation）。目前Axelsson所提出的方法已经发展成一套专为处理激光点云数据的专用软件TerraScan，而阶层式强钝内插法也已置入等高线绘制程式SCOP+中。断线提取：手工矢量化、基于影像处理的2D断线提取、3D断线提取建筑物分类：简单聚类、聚类重分组多级窗口形态学滤波多级窗口形态学滤波原理：选择一个窗口，对窗口内的数据进行形态学运算，过滤掉不需要的点，保留感兴趣的部分。膨胀运算：运算结果将把p点的高程值设置成窗口内的最大高程值。腐蚀运算：运算结果将把p点的高程值设置成窗口内的最小高程值。开运算开运算是对数据先腐蚀后膨胀，闭运算闭运算是先膨胀后腐蚀。Lidar技术的特点和优势是一种主动式探测方式，机载激光扫描测高不受太阳光照的影响，受天气条件影响较小,几乎能全天候地对地观测；快速准确的获取地面三维信息，数据处理速度快，自动化程度高，获取DEM的效率比现有技术高很多；机载激光扫描测高传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡,直接获取森林覆盖地区真实地面的高精度三维地形信息,具有传统摄影测量方法无法取代的优越性。Lidar数据和彩色影像的融合数据和彩色影像的融合Lidar的系统组成Lidar技术是激光测距技术、计算机技术、高精度动态载体姿态测量技术(INS)和高精度动态GPS差分定位技术迅速发展的集中体现。主要由三部分组成：搭搭载载平平台台：一般采用小型固定翼飞机或直升飞机作为Lidar系统的搭载平台。机机载载系系统统：包括激光测高仪，差分GPS接收机，IMU惯性测量装置和机载计算机等。地地面面数数据据处处理理系系统统：包括地面工作站，计算机和数据分析处理软件。Lidar的扫描方式圆锥式扫描光纤扫描直线扫描LIDAR机载激光雷达数据制作机载激光雷达数据制作DEM基于地面的地物或植被会形成局部的较高区，因此把局部较高区域所对应的激光雷达扫描的点云数据称为“局部较高点”。笔者主要是通过数学形态学的方法原理解释如何在激光雷达点云数据中滤除上述的“局部较高点”而保留用以构建DEM的地面点三维数据，其主要方法是平坦操作与圆顶转换，为了自动侦测地面点云数据，首先进行初次高程重建，用来获得圆顶转换的参数，然后再真正滤除“局部较高点”保留构建DEM的地面点云数据。平坦操作平坦操作平坦操作是以数学形态学中的平坦结构元（flat structuring element）为单位进行的先侵蚀后扩张的操作。其中侵蚀（Erosion）可简化成用操作窗口内的最小值替代中心像元的灰度值，而扩张（dilation）则是用操作窗口内的最大值来替代中心像元的灰度值。用图1表示，假设g 是平坦结构元，其尺度为W，f是原讯号、O（f,g）是平坦操作后的结果。利用平坦结构元对原讯号进行的侵蚀和扩张操作会改变局部较高区的高度，此改变高度的区域会小于或等于结构元的大小，操作后的区内点位的高度则与周围最邻近者的高度相同。因此，平坦操作的结果受平坦结构元的尺度大小W的限制，假设W取值过大可能会改变地形结构特征，而太小的结构元尺度则对较大的地物起不到作用。所以在进行平坦操作时要根据实际的地形地貌有针对性的对结构元尺度进行调整。图1.平坦操作示意图圆顶转换圆顶转换由于基于平坦操作受结构元尺度的限制，因此可以进行圆顶转换进行高程重建，用来侦测局部较高区块（Vincent,1993）。本操作方法可参考图2，在此把原讯号部分定义为原始面（Original Surface）,全区减去h高度得一个操作面(Operative Surface)，运算时在操作面上进行各点高程的“提高操作”以得一个重建面(Reconstructive Surface)。进行提高操作时，各点位的高度限制不得高于其在原始面的高度或在操作面相邻点的高度，最后将原始面减去重建面即可获得局部较高区。在定义上位于原始面上圆顶区的周围点位高度必然低于区内的高度，而切出的圆顶区内的高度皆小于h值。从下图中可以看出，如果地物与地表的高度差小于h时，确实可以完全区分地物的位置，否则地物与地表二者交界的相邻高差应大于h时才能区分开来。换句话说，假设位于地物与地表之间的高程点是内插方式获得时，此内插的边缘点将可能被视为地面点而保留下来，因此本方法较适合处理高密度的点云数据。图2.圆顶转换示意图图3.重建面下h值大于上坡地物时上坡高重建错误图4.斜坡处因地物与地表高程的连续性造成重建错误方法小结由于机载激光扫描测量系统能快速、准确获取地面各种信息，重建三维立体，因此可以很方便地利用它来进行送电线路的选线和终勘。在实际的构建DEM的过程中，其平坦操作和圆顶转换的参数设置主要依靠构建者自己的知识和经验，然而由于测区的实际情况与构建者了解的情况可能存在差异，特别是在植被较厚的地方，存在的误差较大，因此在构建DEM的过程中还有待于进一步的探索和优化。发展趋势发展趋势开拓新的机载激光扫描测高应用开拓新的机载激光扫描测高应用开拓新的机载激光扫描测高应用开拓新的机载激光扫描测高应用：随着机载激光扫描测高技术的不断成熟和数据处理算法的不断完善,机载激光扫描测高技术的应用领域会越来越广。将主要表现在利用机载激光扫描测高数据建立3D 城市模型;利用机载激光扫描测高系统进行森林资源的管理和评估;建立大范围高精度数字地面模型;紧急灾害事件的快速反应;条状地形测绘;通讯线路管理;水滨地带测绘;滑坡灾害测绘;变化监测等。发展趋势发展趋势多源数据的智能化融合处理。在数据处理方面还具有很大的发展空间,主要是智能滤波和数据压缩。对非直接采获的目标和要素,通过更为复杂的目标建模提取更加完全的信息,如地貌结构、景观建模、城市模型、环境动态变化监测或数据的融合综合处理等。进一步改善系统绝对定位精度；通过对回波信号的严密电子分析,获取地面激光脚印的额外地表特征信息。实现与摄影测量的有效融合,形