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激光雷达测量技术简介

时间:2021-10-14 百科知识 联系我们

激光雷达测量技术简介_机载激光雷达测量技术及工程应用实践

§1.1 激光雷达测量技术简介

激光雷达测量技术(Light Detection And Ranging,LiDAR)源自1970年美国航天局(NASA)的研发。因全球定位系统(Global Positioning System,GPS)及惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的发展,使精确的即时定位及姿态确定成为可能。德国Stuttgart大学于1988—1993年间将激光雷达技术与即时定位定姿系统结合,形成空(机)载激光雷达测量系统(Ackermann-19)。之后,空(机)载激光雷达测量系统随即发展相当快速,从1995年开始商业化。从1998年起,以每年25%的速度递增(Flood M,2001),截至2001年7月,全球有75个商业组织使用69种类似的系统。研发空(机)载激光雷达测量系统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。由于其具有高度自动化及精确的观测能力,空(机)载激光雷达测量系统演变为DTM的主要生产工具。

三维激光测量技术的出现和发展,为空间三维信息的获取与空间信息数字化发展提供了全新的技术手段。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性,将其引入测量装置中,在精度、速度和易操作性等方面均表现出强大的优势,这项技术的出现和应用引发了现代测量技术的一场革命,引起相关行业学者的广泛关注,许多高新科技公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究中。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动,激光雷达测量技术也逐步由点对点的激光测距装置发展到采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格方面的逐步下降,20世纪90年代开始,这项技术在测绘领域成为研究的热点,扫描对象不断扩大,应用领域不断扩展,逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一,许多公司都推出了不同类型的三维激光扫描测量系统。在国外,20世纪90年代中后期,三维激光雷达测量技术已形成了颇具规模的产业。

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描,且没有白天和黑夜的限制,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。这项技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点,可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便,这项技术输出格式可以直接与CAD、三维动画等工具软件接口。

1.1.1 雷达

雷达(Radio Detection And Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备。电磁波是指由紫外波段覆盖到长波波段电磁辐射。其功能包含搜索和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。

1.1.2 激光雷达

激光雷达(Light Detection And Rang,LiDAR)是以激光作为载波的雷达,而传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为载波。激光是光波波段电磁辐射,波长比微米波和毫米波短得多。可以用振幅、频率、相位和偏振来搭载信息。激光雷达可以采用非相干的能量接收方式,这主要是以脉冲计数为基础的测距雷达,还可以以相干接收方式接收信号,通过后置信号处理实现探测。激光雷达由发射、接收、后置信号处理三部分和使这三部分协调工作的机构组成。激光光束发散角小,能量集中,探测灵敏度和分辨率高,系统的几何尺寸可以做得很小。

1.1.3 激光雷达分类

目前激光雷达种类繁多,按照不同的方式有以下分类:

(1)按运载平台分,有手持式激光雷达、地面固定式激光雷达、车载移动式激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达等。

(2)按激光发射波形分,有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。

(3)按激光介质分,有固体激光雷达、气体激光雷达、半导体激光雷达、二极管激光泵浦固体激光雷达等。

(4)按激光波段分,有紫外激光雷达、可见光激光雷达和红外激光雷达等。

1.1.4 机载激光雷达

机载激光雷达系统是一种集激光测距、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一体的系统,用于获得数据并生成精确三维地形(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。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,最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。鉴于光速是已知的,传播时间即可以被转换为对距离的测量。结合激光器的高度,激光扫描角度,从GPS得到的激光器的位置和从INS惯性导航仪得到的激光发射方向,就可以准确地计算出每一个地面光斑的X、Y、Z坐标。

机载激光雷达具有以下技术特点和优点:

(1)是一种直接主动式测量方法,受天气条件的影响很少。

(2)与传统航测相比较,地面控制工作大大减少,可以不需要事先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,大大提高作业速度。

(3)具有数据采集速度快、测量数据精度高、外业作业工作量少、外业作业成本低和数据处理自动化程度高等优点。

(4)可以对危险地区安全地实行远距离、高精度三维测量。

(5)是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。

1.1.5 机载激光雷达的工作原理

通常,一套完整的机载激光雷达测量系统由空中测量平台、激光扫描仪、姿态测量和导航系统、计算机及软件等组成。为了获取的数据更加全面,该系统通常还搭配一个数码相机。如图1-1所示为LiteMapper 5600型机载激光雷达测量系统的组成部件,图1-2为系统组成示意图

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图1-1 LiteMapper 5600型机载激光雷达测量系统设备实图

激光雷达测量系统的工作过程,实际上就是一个不断重复的激光点发射和接收过程,这个工作过程通过具有一定分辨率的空间点(坐标X、Y、Z,其坐标系是一个与激光设备位置和扫描姿态有关的仪器坐标系)所组成的点云图来表达系统对目标物体表面的采样结果。如图1-3所示为激光雷达测量工作过程示意图。

激光雷达测量系统所得到的原始观测数据主要包括:

(1)根据两个连续转动的、用来反射脉冲激光的镜子的角度值得到的激光束的水平方向值和竖直方向值。(www.guayunfan.com)

(2)根据脉冲激光传播的时间而计算得到的仪器到扫描点的距离值。

(3)扫描点的反射强度等。

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图1-2 LiteMapper 5600型机载激光雷达测量系统组成示意图

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图1-3 激光雷达测量工作过程示意图

前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值,扫描点的反射强度用来给反射点匹配颜色。

由于激光雷达测量系统采用的是脉冲测距方式,通过计数器测量激光从发射到接收之间的脉冲个数,计算距离。如果时标振荡器频率为f,在激光雷达和目标之间往返的时间t内(即取样信号和回波信号之间的时间间隔)包含时标脉冲个数为n,则代测距离为

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1.1.6 机载激光雷达测量技术的优特点

机载激光雷达测量技术具有如下优特点:

1.快速性

应用激光雷达能快速获取大面积目标空间信息,也可以及时测定形体表面立体信息,提高了测量效率

2.非接触性

非接触性这一特征解决了危险领域的测量、柔性目标的测量、需要保护对象(如文物)的测量、人员不可到达位置的测量等。

3.穿透性

激光能穿透不太浓密的植被,到达目标表面,由于激光扫描技术能在一瞬间得到大量的采样点,这些采样点能描述目标表面的不同层面的几何信息。

4.主动性

主动发射测量信号,不需要外部光源,通过探测自身发射出的光的反射来得到目标信息。

5.高密度、高精度

机载激光雷达测量系统采集的激光点云数据非常密集,精度也高,通常激光点间距离1~2m,平面绝对精度0.3m,高程绝对精度0.2m。如果采用直升飞机为载体,激光点密度和精度将更高,点密度可以达到每平方米几十甚至上百个点。

6.高效性

可以不用事先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GPS基准站即可,而且数据采集高度数字化、自动化,数据处理过程高度自动化。

7.数据产品丰富

基于直接采集获取的激光点云数据和数码影像数据,经加工处理后,可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等数据产品,在相关专业软件的支持配合下,还可以制作其他数据产品,如城市建模物三维模型等,也可以把激光点云直接应用于三维量测,如电力巡线中的地物到线的安全距离检测等。