LiDAR 完整指南介绍:激光探测和测距

LiDAR 完整指南介绍:激光探测和测距


发布日期: 2019-09-22 更新日期: 2022-09-02 编辑:admin 浏览次数: 9208

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摘要: 什么是激光探测和测距 (LiDAR)? LiDAR 的全称是 Light Detection and Ranging (激光探测及测距),LIDAR 是一种主动测量方式,主要由激光发射部分、接收部分组成、信号处理部分组成,从其名称可以发现 LIDAR 的两个主...

什么是激光探测和测距 (LiDAR)?

LiDAR 的全称是 Light Detection and Ranging (激光探测及测距),LIDAR 是一种主动测量方式,主要由激光发射部分、接收部分组成、信号处理部分组成,从其名称可以发现 LIDAR 的两个主要基本功能是测距和探测。根据具体应用,可以使用不同的波长,但最常用的是红外线(IR)。LIDAR 应用于很多领域,主要包括但不限于以下学科:计算机视觉、自动化、机电、测绘、机械、土木等。每个学科侧重点不一样,大致有以下具体应用:无人驾驶、机器人、移动测量、工业元件检测、BIM 等。

LiDAR 101

LiDAR 从根本上说是一种距离技术,LiDAR 系统从飞机或直升机上向地面发送光线。该脉冲撞击地面并返回到传感器。它测量光线返回传感器所需的时间,通过记录返回时间,这就是 LiDAR 测量距离的方式。事实上,这也是 LiDAR 得名的原因,激光探测和测距。

LiDAR 的工作原理

LiDAR 是一种采样工具,其每秒发送超过160,000 个脉冲。每秒钟每米的像素会收到大约 15 个脉冲,这就是 LiDAR 点云创建数百万个点的原因。

机载激光探测和测距(LiDAR)

LiDAR 系统非常准确,因其在平台中控制,例如,垂直方向的精度仅为15厘米,水平方向的精度为40厘米。当飞机在空中飞行时,LiDAR 装置从一侧到另一侧扫描地面,虽然有些脉冲将直接低于最低点,但大多数脉冲以一定角度(偏离最低点)传播,因此,当 LiDAR 系统计算高程时,它还会考虑角度问题。通常,线性 LiDAR 的条带宽度为3,300英尺。但像 Geiger LiDAR 等新技术可以扫描 16,000 英尺的宽度。与传统的 LiDAR 相比,这种类型的 LiDAR 可以覆盖更广泛的占地面积。

LiDAR 可以生成什么?

1.返回次数

想象一下,当在森林里徒步旅行时,你仰望天空,如果能看到光,这意味着 LiDAR 脉冲也可以穿过。此外,这也表示 LiDAR 可以击中裸露的地面或矮小的植被。

森林 LiDAR

大量的光线就像阳光一样穿透森林的树冠。但 LiDAR 不一定只会击中裸露的地面。在森林地区,它可以反射到森林的不同部分,直到脉冲最终到达地面。通过使用 LiDAR 获取裸露的地面点,就不会用 X 射线穿透植被。相反,实际上是在透过树叶的缝隙窥视。当它击中树枝时,会获得多次击中或返回。

2.返回编号

返回编号

在森林中,激光脉冲向下移动。当光线照射到森林的不同部分时,会得到“返回编号”。例如,将获得第 1 次、第 2 次、第 3 次返回,直到它最终击中裸露的地面。如果没有森林阻隔,它就会撞到地面。有时光脉冲不会反射任何东西。与树木的情况一样,一个光脉冲可以有多个回波。LiDAR 系统可以记录从树冠顶部开始,通过树冠一直到地面的信息。这使得 LiDAR 对了解森林结构和树木的形状很有价值。

3.数字高程模型

数字高程模型

数字高程模型 (DEM) 是地球表面的裸露地球(地形)模型。通过仅使用地面回波,即可以构建 DEM。但这与数字地形模型 (DTM) 不同,DTM 包含等高线。通过使用 DEM,可生成其他产品。例如,可以创建:

  • 斜率(以度数或百分比表示的上升或下降);
  • 坡向(坡度方向);
  • 山体阴影(考虑照明角度的地形阴影)。

4.数字表面模型

点云摄影测量

正如大家所了解的,LiDAR 在森林中进行观察,最终光线到达地面,可看到裸地返回。数字曲面模型(DSM)结合了自然曲面和建筑曲面的高程。例如,它增加了建筑物、树冠、电力线和其他要素的高程。

5.冠层高度模型

冠层高度模型

冠层高度模型 (CHM) 能够提供地面地形特征的真实高度,通常还将这种高程模型称为归一化数字表面模型 (nDSM)。首先,采用包含自然和建筑特征(如树木和建筑物)的 DSM。接下来,从裸地 (DEM) 中减去这些高程。当将两者相减时,会显示表面特征,它代表了离地面的真实高度。

6.光强度

光强度

LiDAR 回波的强度随反射回波表面物体的组成而变化。反射百分比称为 LiDAR 强度。但是有几种因素会影响光强度。例如,距离、入射角、光束、接收器和表面成分等。当脉冲倾斜得更远时,返回能量会减少。光强度对于区分土地利用和覆盖特征用处较大。例如,不透水表面在光强图像中非常突出。这就是为什么光强度适合于图像分类,如基于对象的图像分析。

7.点分类

点分类

美国摄影测量与遥感协会 (ASPRS) 为 LiDAR 点分类分配了一组分类代码。例如,类别可以包括地面、植被(低、中、高)、建筑物和水等。某种情况下,点分类可能属于多个类别。如果是这种情况,通常会将这些点标记为次要类别。

供应商可能会也可能不会对 LiDAR 进行分类。代码由反射的激光脉冲以半自动方式生成。并非所有供应商都添加此 LAS 分类字段。实际上,通常是事先在合同中约定的。

开放和免费的 LiDAR 资源

LiDAR 数据是一种稀有而珍贵的资源,由于开放数据程序,它们变得越来越广泛。关于 LiDAR 数据的更多详情,请参阅 6 大免费 LiDAR 数据源的列表(https://gisgeography.com/top-6-free-lidar-data-sources/)。

LiDAR 有哪些类型?

LiDAR 系统的类型不同之处在于:

  • 占地面积
  • 波长
  • 位置对齐

Profiling LiDAR

Profiling LiDAR 是20世纪80年代第一个使用的系统,它致力于研究电力线等直线特征。Profiling LiDAR 在一条线上发出单独的脉冲,在固定的最低点,沿单个样带测量高度。

小型 LiDAR

小型 LiDAR 是如今主要使用的一种。它以大约 20 度的扫描角度进行扫描,并前后移动。如果超过 20 度,LiDAR 仪器可能会开始看到树木的侧面,而不是直接向下的角度。

  • 地形 LiDAR 通常使用近红外光绘制土地;
  • 测深 LiDAR 利用透水绿光来测量海底和河床高度。

大尺寸 LiDAR

大尺寸 LiDAR 使用 20m 尺寸的完整波形,但其精度很低,脉冲返回可以包括倾斜的地形,NASA 的两项著名实验使用了这种类型的 LiDAR:

  • SLICER(通过回声恢复扫描树冠 LiDAR 成像仪);
  • LVIS(激光植被成像传感器)。

地面 LiDAR

地面 LiDAR 安装在三脚架上,扫描半球,它特别适合扫描建筑物,在地质学、林业和建筑业也有一定的应用。

Geiger(盖革) 模式 LiDAR

盖革模式 LiDAR 仍处于体验状态。它专门从事高空扫描,由于扫描范围极广,因此与其他类型的 LiDAR 相比,它可以覆盖更多的地面范围。

LiDAR

LiDAR 系统组件

机载 LiDAR 有 4 个主要部分。它们协同工作,产生高度准确、可用的结果,内容如下:

  • LiDAR 传感器: 当飞机飞行时,传感器会左右扫描地面。脉冲通常在绿色或近红外波段。
  • GPS 接收器: GPS 接收器跟踪飞机的高度和位置。该轨迹对于准确的地形和高程值很重要。
  • 惯性测量单元 (IMU): 当飞机飞行时,IMU 会跟踪其倾斜度。LiDAR 系统使用倾斜来准确测量脉冲的入射角。
  • 数据记录器:当 LiDAR 扫描表面时,计算机会记录所有脉冲返回,这些记录被转换成海拔高度。

全波形 vs 离散波形

LiDAR 系统以两种方式存储返回的数据:

  • 全波形
  • 离散 LiDAR

离散 LiDAR

想象一下 LiDAR 脉冲扫描森林区域,会得到第 1、第 2、第 3 次回波,由于脉冲击中多个分支,通过裸地返回得到一个大的最终脉冲。当将数据记录为单独的回波时,这就是“离散回波 LiDAR”。简而言之,离散 LiDAR 获取每个峰值并分离每个回波。

全波形 LiDAR

当您将整个回波记录为一个连续波时,这就是全波形 LiDAR。因此,只需计算峰值,就能使其离散。尽管全波形数据更加复杂,但 LiDAR 正在向全波形系统迈进。

全波形 LiDAR

LiDAR 项目和应用

  • 林业:林业人员利用 LiDAR 更好地了解树木的结构和形状;
  • 自动驾驶汽车:自动驾驶汽车利用 LiDAR 扫描仪检测行人、骑自行车的人、停车标志和其他障碍物;
  • 考古学:考古学家利用 LiDAR 在地面上寻找方形图案,这些图案是玛雅和埃及文明建造的古老建筑和金字塔;
  • 水文:水文学家根据 LiDAR 划定河流秩序和支流。

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