武汉大学遥感院激光遥感重点课件.docx

1、武汉大学遥感院激光遥感重点课件第一章 绪论1、激光2、激光遥感与其他技术（RS）异同3、应用现状：森林监测与管理构建数字城市模型湿地、限制进入地区、危险区域油气管道勘测洪水灾情预测（洪水制图，灾害评估）海岸线监测与制图电力线参数提取古文物保护真正射影像制作红宝石激光器（军事上应用）：激光测距仪，激光致盲器，激光制导器，激光告警设备，激光干扰设备，电子战装环境监测方面飞行器制导，直升机防撞，目标三维重建，地形地貌测量4、Lidar技术特点：全天时，全天候获取地面三维数据能部分穿透植被，同时测量地面和非地面层很少需要进入测量现场，不需要大量地面控制点精度较高能快速获取数据，24小时内可提取测区的D

2、EM数据5、lidar基本特点：集成RS和GPS技术，数据可直接作为GIS的数据源，提高地理数据的自动化，加快处理速度能接受无穷次回波一个飞行日能采集高达200G的数据高速度，高性能，高精度，长距离的航空测量设备无需光照条件或专门的太阳高度角可在白天、夜晚或相当恶劣的条件下作业全数字化数据密集：典型激光光斑中心间距为0.5m到5m精度：针对地物建模应用情形，典型精度达15cm机载平台：易于快速获取地表数据可在反射率较低的地区工作可对细小目标进行探测宽视场角：飞机倾角可稳定补偿6、技术发展20世纪70年代，卫星激光测距（阿波罗登月计划）1980-1988，机载lidar可能性研究1990，斯图加

3、特大学研制成功收个激光断面测量系统1993 年，德国出现首个商用LiDAR 系统TopScan（ALTM 1020）1995 年，全球有5 套商用LiDAR 系统1999 年，全球约有30 几套商用LiDAR 系统2001 年，全球约有75 个公司使用了60 几套商用LiDAR 系统2002 年，全球约有120 个公司使用了75 几套商用LiDAR 系统 ，年平均增长率为7.1 ，市场份额从5 增长到12%目前国内已引进20 余套机载激光雷达系统7、激光特点：单色性、方向性、相干性具有很高的单光子辐射能量在大气传输中很少发生绕射8、微波遥感的局限性波长长，能量子能量少不足以与目标发生生化左右，

4、无法探测目标的生化特性传播时，遇尺寸小于波长的物体，更易于发生衍射9、激光雷达光源可见光波段He-Ne和Ar激光器短波红外波段Nd：YAG激光器（最成熟）长波红外波段CO2激光器二极管泵浦固体激光雷达（DPL）（发展重点）：无需制冷，不易受环境影响，对人眼安全，大气消光比低，可采用光纤光路和集成光学技术，结构小制作成本低，高稳频、高功率、高效率和高光束质量，可距离、强度成像11、激光成像雷达基本结构12、激光成像雷达关键技术高功率和高波束质量的辐射源（激光发射器）：气体（CO2，大气传输性能好，尺寸大、需低温制冷）固体（Nd：YAG，不同波长可分别研究大气散射、海洋勘测、测污）半导体二极管激光

5、器（体积小，寿命长）高灵敏度接受技术（成像探测器）：单元（每次获得一个像素的数据，产生距离图像、强度图像）面阵（二维阵列，成像像素多，成像速率不高时采用）阵列探测器（将发射光分为N束，同时照射N点，得到N个像素的距离强度信息，及二维信息，对扫描器要求高，可实现高速高分辨率成像，技术难度大）（高成像速率和高分辨率怒能同时满足，单元探测器时这一矛盾更加突出，面阵探测器在速率不高分辨率高情况下采用）高性能二维扫描技术（扫描系统）：力学（反射镜转动、摆动，体积大）声光（不包含机械运动，扫描角小，扫描速度快，耗电量大，需做冷却处理）二元光学（将一束光分为多束，扫描速度快，扫描较小，体积小）图像处理及目标

6、识别算法（数据处理技术）13、激光成像雷达发展类型扫描激光雷达：单元探测器，通过平台运动和扫描实现一定探测范围的成像凝视激光雷达：需控制发射激光，使发射光覆盖整个成像区域，通过面阵探测器接收回波，通过飞行时间测量或调制解调手段实现并行测距，得到目标三维图像。较传统扫描方式需要机载运动扫描镜等，凝视成像实现“瞬时”成像，结构简单，成像速率高，分辨率高合成孔径激光雷达： 在距离向上发射大时宽带宽信号，对回波信号进行脉冲压缩得到距离向高分辨率；方位向上利用雷达平台与目标之间的相对运动，记录平台不同位置的目标回波信号，经相关的数据处理在空间上合成一个虚拟的大孔径，实现方位向聚焦，获得方位向的高分辨率。

7、突破实孔径的衍射极限，当观测距离达到数百公里甚至更远时，它是唯一能够在有限的光学孔径条件下获得厘米级分辨率的光学成像手段。14、为何发展激光成像集成系统激光成像集成系统：激光成像雷达：距离信息准确，强度信息质量差普通遥感相机：图像信息丰富GPS：空间位置准确INS：姿态信息准确其他激光遥感观测系统：飞机 激光扫描仪 航摄相机 CCNS4导航控制系统高精度位置姿态测量系统(IMU/DGPS) IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收由于激光成像技术可提供各种目标的距离图像和强度图像，可以满足获取第五几何信息和物理信息的需要，但其强度图像在影像分析方面信息量不够。随着RS技术和定

8、位定向技术的发展，人们考虑组合一个集成系统，充分发挥各种技术的优势。激光成像系统所提供的地物目标距离信息与GPS定位信息结合起来，加上惯性导航系统（INS）提供的飞行平台姿态信息，就可以十分快捷地确定地物目标的位置、高程三维坐标。而同步工作的其他RS成像仪器，获取地物目标的影像信息与激光成像系统所获取的强度信息可为地物目标分析提供丰富的光谱数据，这样的集成系统是具有吸引力的。第2章 激光及激光雷达系统1、激光的产生当某一原子系统在获得能量，处于粒子数反转分布状态时，称之为激光工作物质。这种工作物质本身是某些原子自发辐射产生的光子，在传播过程中会作为入射光引起其他原子受激跃迁。由于工作物质处于粒

9、子数反转分布状态，原子的受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁，传播中的光就会得到激励和放大。在工作物质两端分别放置一块反射镜，构成一个光学谐振腔，这样，沿着腔轴方向传播的光会因两端的反射镜往返传播并很快得到放大。那些传播方向与腔轴方向有一定夹角的光在几次往返后会逸出腔外，沿腔轴往返传播的光由于受激辐射迅速放大，形成自激振荡，产生了激光。激光产生的条件：工作物质处于粒子数反转分布状态受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁传播中的光得到激励和放大2、激光器（公式理解）（1）定义：激光器（产生激光的装置称为激光器）由工作物质、抽运系统、光学谐振腔组成，其目的是通过激励和受激辐射放大而获得激光。（2）激光器各部位作用：

10、工作物质由抽运系统被抽运到粒子数反转状态,因自发辐射产生向各个方向传播的光子，在光学谐振腔的作用下，凡与腔轴有一定夹角的光束很快逸出腔外，沿腔轴方向的光则反复往返传播。（3）要求：激光雷达要求具备发射高功率、窄脉宽、窄频带、较小远场发散角光束较高的脉冲频率的激光器。（4）未来激光器的发展：实用角度、波长角度、输出功率、新类型激光器（5）激光器分类：固、液、气、半导体、自由电子激光器气体：CO 2 （000 ）+e （高能） CO 2 （001 ）+e（低能）在CO2工作物质中加入适量N2气体，这时跃迁转移概率最大，加入氨气，氙气，水蒸气可使输出功率增加，加入氢气，CO和O2可延长激光器寿命。C

11、O 2 激光器的优点：对人眼安全、具有优良的大气传输性能、有较大的输出功率和能量转换效率、易于进行外差探测CO 2 激光器的缺点：需低温致冷、某些波段激光反射率低，CO2激光易被水分子吸收固体：固体激光器在相干性、脉冲重频和输出功率等方面受到局限，遇到CO2激光器的挑战，固体可调谐激光器（波长可调）半导体激光器：高低能级的载流子作扩散运动，最终形成P-N结，若加偏压,在结区形成窄区域，导带（高能级）底部能级被电子占据在结区形成窄区域，导带（高能级）底部能级被电子占据, 价带（低能级）顶部被空穴占据；当导带电子回到价带, 与空穴发生受激复合时就产生了激光3、激光的应用自然科学、加工领域、信息处理

12、、激光通信、医学领域、军事领域测绘中应用：手持式激光测距仪、三维激光扫描仪、全站仪、机载LiDAR设备、星载LiDAR设备4、激光雷达：激光器与雷达技术结合（1）特点：角分辨率较高、距离和速度分辨率高、抗干扰能力强、能够与一些目标发生生化作用、可以对极小的目标进行探测（2）分类：单稳，双稳，第二讲 P46 P47 P50按结构分：单稳系统（发射与接收信号共用一光学子系统，由发送接收开关隔开）双稳系统（发射部分和接收部分分开放置，目的是为了提高空间分辨率）（3）结构框图5、光束整形通过整形器控制出射激光的指向、方位信息、光束排布状况、束宽等参数，使其形成一定的排布规律，便于检测与分析。对于激光雷

13、达许多应用，要求将基模高斯光束整形为柱状、具有平顶强度分布的光束。使光束强度在远场具有平顶分布的方法之一，衍射光栅。通过调整光栅周期，和刻线相位调制深度可以达到所要求的整形效果。6、激光扫描在光束整形之后，采用某种技术使激光束发生偏转，实现对某区域的目标进行扫描。高惯性扫描：主要靠反射镜或棱镜的旋转低惯性扫描：电光棱镜的梯度扫描、振动反射镜的非梯度扫描、增益控制或损耗控制的内腔式扫描衍射光学元件（DOE）可替代旋转平面反射镜或棱镜，省去了机械转动部件，减少了折射元件数量，能对任意非球面误差进行校正。7、激光探测的两种方法的优缺点（直接探测、相干探测）直接探测：将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上

14、，产生与入射光功率成正比的电压或电流相干探测：探测器接收目标回波信号和某一参考波的相干混合波信号，按照参考波的辐射源及其特性的不同进行探测。分为外差探测，零拍探测和多频外差探测等。相干探测接受孔径不能过大。相干探测与直接探测对比优点：探测能力强、转换效益高、信噪比高、滤波性好、稳定性和可靠性高。直接探测的方法比较简单实用，普遍用于可见光和近红外波段。在直接探测中,探测器不能区别信号光与背景光。为了压低背景噪声和提高信噪比，必须采取滤光措施。相干探测方法能提高信噪比和对微弱信号的探测能力，但设备比较复杂，光源必须为相干光源即要求信号有很好的相干性，主要用于中、远红外波段。外差探测：一般外差探测激

15、光雷达系统由一台连续工作的激光器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器，系统接收到的回波信号与来自本地振荡器的参考信号混合之后，由混频器输出的光束聚焦到探测器上然后再进行信号处理零拍探测：本地振荡信号是来自激光发射源的部分激光辐射，不需要另一个激光源。零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可靠性也更好。多频外差探测：目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多普勒频移，可以提供有关目标的非常精确的信息要求外差探测接收器具有很宽的频带，以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率。三频外差探测（有两个独立辐射源，两个反射信号与本地振荡器信号混频，成像在光敏探测器上 ）8、激光信号的大气衰减类型（重点

16、）（1）大气干扰效应的表现：衰减（气体分子和气溶胶粒子、尘埃、雾、雨等的吸收和散射）折射（由于大气密度分布不均匀，导致激光沿光路产生折射）其他（大气湍流，导致光束扩展和漂移；大气吸收 ，引起光束相位变化）（2）大气衰减类型：大气分子的吸收：在大气窗口内，水汽的连续吸收必须十分注意的。线吸收（与单色光波长相应的大气分子，与高度密切相关）、连续吸收（大气窗口内的大气分子，如水汽，CO2）大气分子的散射：瑞利散射（光的波长远远大于粒子直径） 大气分子米氏散射（气溶胶散射，光的波长可与粒子直径比拟时） 雨滴、雾滴、霾等粒子，随着高度的增加，散射系数很快减小大气折射效应：激光通过大气时因不同的折射率造成

17、光程增加，传播路径弯曲。大气折射效应会造成目标位置和距离测量误差。9、对衰减影响最大的因素（公式不记）与波长有关的衰减系数：Om 为分子散射系数，K m 为分子吸收系数，Oa为气溶胶散射系数，ka为气溶液吸收系数第3章 机载激光雷达数据获取基本原理1、机载LiDAR系统系统原理：原理：已知空间点G的坐标的坐标及该点到地面点P的向量S，则P 点的坐标可以由G加S得到。激光测距单元包括：激光发射器和接收机激光发射器产生激光，由扫描装置控制激光束发射出去的方向，扫描宽度由扫描视场（FOV）决定发射和接收激光束的光孔是同一光孔，保证发射光路和接收光路是同一光路发射的激光束是一束很窄的光，发散度很小形成

18、瞬时视场，激光束形成的一个照射角照射在一小块地面接收机接收被反射回来的激光束后由记录单元进行记录2、机载LiDAR系统关键技术激光测距技术：测距仪要求：（1）精度高（2）功率高使激光束的能量尽可能大，经过长距离的大气损耗和目标吸收等能量损失后，回到探测器时能够有足够的能量；近距离消除技术解决空中的尘埃等干扰使一部分信号返回接收光路的情况（3）体积小（5）波长合适大气窗口、背景光的区别、目标反射率、探测器灵敏度、人眼安全测距类型：（1）脉冲测距：测量脉冲信号往返时间差，测距精度取决于计时器的精度，最大量测距离应考虑避免最远目标所反射的激光束还未返回就发射下一束激光，与最远目标有关。脉冲发射频率是

19、指一秒钟内能发射多少次激光束，决定了相邻的两束脉冲的时间间隔，由此决定了最大量测距离。为避免因激光幅值变化造成记时错误，在记时器的前端安置一个放大器进行信号调整，或采用分数鉴别器，代替阈值鉴别器：按信号峰值的比例系数作为记时参照常量（2）连续相位差测距：测量往返连续波的相位差，最大量测距离又称大不模糊距离，最短波长确定了较高的测距分辨率和精度，最长波长确定了最大量测距离，为二分之一最长波长（3）无论是脉冲激光还是连续波激光，最大测距与反射率的平方根和激光功率的平方根成正比。激光测距系统的测距精度与测距信号的信噪比的平方根成反比，信噪比愈高，测距精度越高。（1）信噪比（S/N ），信号功率与热噪

20、声之比，其取决于很多因素，如：接收信号功率、信号带宽、背景辐射、探测器响应灵敏度、放大器噪声等。（2）脉冲测距精度较连续波高得多。脉冲激光系统具有大功率、可远距离测距等特点，不过脉冲系统要达到很高的精度需要非常高的技术手段和复杂的处理方法。（3）测距误差来源：噪声、脉冲宽度和幅度、电光系统的延迟以及时间测量单元中基准振荡频率的稳定性，以及激光功率、光束发散度、目标反射特性、探测器灵敏度、飞行高度、飞机姿态误差（4）脉冲激光测距仪测距误差：a) 系统误差（计数器误差、大气折射误差、电光延迟误差）b) 随机误差（噪声误差、距离误差、漂移误差）（5）连续波激光测距仪测距误差： a) 比例误差（与距离

21、有关的误差，系统误差）（真空光速误差、大气折射率误差、测尺频率误差）b) 固定误差（与距离无关的误差，偶然误差）（数字测相误差、幅相误差、照准误差）（6）要获得较好的测距效果a) 气候条件：干、冷和透明的大气条件；b) 时间条件：夜间最好，最坏的情况是白天阳光强烈；波段选择：选择大气透过率高的波段。全球定位系统技术：GPS，利用人造地球卫星进行点位测量导航优点：观测站之间无需通视、定位精度高、操作简便、全天候作业、实时定位速度快、抗干扰性能好、保密性强单点定位：伪距观测，一台接收机定位，精度差差分定位（DGPS）：在用户接收机附近设置一个坐标已知的差分基准站，连续接收GPS导航信号，将测得的位

22、置或距离数据与已知的位置、距离数据进行比较，确定误差，得出改正值，然后将改正数发播给覆盖区域内的用户，用以改正用户的定位结果。LiDAR系统的DGPS技术：由于高精度要求，采用载波相位差分GPS 技术，又称为RTK技术，实时处理两个测站的载波相位观测值，实时提供三维坐标，可达厘米级的高精度LiDAR系统中GPS作用：（1）确定成像时刻系统中心的地理坐标（2）提供相关数据给姿态测量装置，提高测定姿态角的测角精度（3）提供导航控制数据影响DGPS精度的主要因素：（1）动态GPS 数据中的周跳（2）大气延迟误差的影响（3）多路径( 机身造成) 误差及作业区域的电磁干扰（4）GPS 信号的失锁，可视卫

23、星数不够（5）飞机离开基准站太远，误差的空间相关性降低惯性测量系统技术（INS）基本原理：利用陀螺和加速度计等惯性元件测量并计算得到运动体的相对位置、速度和姿态等导航参数。可以用于定位、测速、输出姿态信息，以及测定重力异常和垂线偏差、相对大地水准面起伏等。惯性测量单元IMU：陀螺和加速度计等惯性元件的总称，INS 的核心部件。IMU通常由三个加速度计和三个陀螺，数字电路和CPU组成。IMU和DGPS组合定位技术（POS技术）： DGPS动态性能差，无法快速量测瞬间的变化，没有姿态量测功能，但使用方便，成本低廉，可量测传感器的位置和速率，精度高，误差不随时间积累。IMU技术的定位误差随时间积累增

24、长，使用时需不断加以校准，不能长时间单独工作，但其即能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息POS技术：提高了定位精度、增强了系统可靠性、部分解决了采样频率低的问题高性能二维扫描技术遥感传感器类型：（1）扫描类型的传感器（LiDAR ）（2）其他遥感传感器类型：摄影类型的传感器、雷达类型的传感器、非图像类型的传感器四种典型扫描方式： （1）摆镜扫描：通过电机带动反射镜反复摆动一定的角度，实现激光束在地面的扫描。（2）旋转棱镜扫描：通过电机带动多面棱镜旋转，由于镜面的位置在不断变化，导致反射光束的方向在一定的范围内往复变化，从而实现激光束在地面的扫描。（3）椭圆扫描方式：旋转一周

25、后在地面形成椭圆扫描线（4）光纤扫描：目前仅TopoSys激光系统采用光纤扫描仪，目前已有128根光纤组，256根光纤组将可以实现扫描形状：扫描在地面形成的形状，不仅取决于激光扫描装置及其工作方式，也取决于飞行方向、飞行速度和地形。激光所照射的那些点并不是等间距的。由于有时扫描速度不平衡，造成扫描线边上的点出现异样，需从数据集合中去除这些点。3、LiDAR 同步控制处理系统获取数据距离数据、强度信息、CCD 等遥感数据DGPS 系统及INS 系统等定位定姿数据、航迹文件激光点分布模式与技术数据等辅助数据这些信息数据必须通过同步信号保持相互关联、匹配！离线时间同步方案：POS数据和激光扫描数据存

26、储在不同PC机硬盘中。POS 数据与GPS时间相关，激光扫描数据与PC1的计算机内部时间相关。4、双扫描仪组合技术：通过搭载两个激光扫描仪，并使其同时工作，增加地面激光脚点密度5、LiDAR数据获取的有关参数（1）瞬时视场角（IFOV）：又称激光发散角。是指激光束发射时其发散的角度。瞬时视场角的大小取决于激光的衍射。（2）视场角（FOV）：激光束通过扫描装置所能达到的最大角度范围，目前比较先进的LiDAR系统的扫描角都在60度-75度左右，基本能够达到航摄像机的视场角度范围（3）脉冲频率：单位时间内激光器所能够发射的激光束数量。脉冲频率大会导致激光焦点过于密集，带来大量冗余数据，影响数据处理的

27、效果和效率。（4）扫描频率：线扫描方式，每秒钟所扫描的行数，即扫描镜每秒钟摆动的周期（5）垂直分辨率：脉冲通过的路径上所能够区分不同目标间的最小距离。若脉冲宽度为10ns，则在一个脉冲宽度内，不同目标距离至少为1.5m，其回波能量才可能经接收器检出，并区别开来。（6）最大飞行高度（最大量测距离）：系统所能精确测定的最远距离。影响因素：激光功率、光束的发散性、大气折射率、地物反射率、探测器灵敏度等等（7）最小飞行高度：取决于飞行平台的类型，探测地区的地形，人眼的安全距离。（8）激光脚点光斑特性：取决于激光脚点光斑大小回波的多值性：光斑内也许存在不同地物或有地面起伏，会造成同一束激光脉冲可能有多个

28、回波信号动态重合系数及其影响由于遥感平台的移动，反射光束到达接收装置时已不是原激光脚点的位置、大小和形状了，接收脚印与激光焦点光斑只有部分重合。动态重合系数：激光脚点光斑与接收脚印重合部分的面积与激光光斑的面积之比。动态重合系数与激光发散角、瞬时视场角、飞行高度、扫描速度和波束倾角有关。（9）扫描带宽SW：，角度为视场角（10）扫描行的点数N：，F为脉冲重复频率，fsc为扫描频率，N与飞行高度和扫描带宽无关。若要求点的密度大一些，可适当降低飞行高度。（11）激光脚点间距：a) 旁向点距一条扫描线上相邻激光脚点的间距，与扫描带宽SW和每条扫描带上的激光脚点数N有关b) 航向点距沿飞行方向扫描点之

29、间的距离，航向激光脚点间距也与飞行高度无关，只与飞行速度和扫描频率有关（12）最少航带数：，W为航带宽度，q为航带间的扫描重叠度。要计算扫描带宽，与航高有关，在实际制定飞行计划时，航高的确定须根据区域内的最低点，而航带重叠度的计算则要依据区域内最高点，避免在扫描带宽很窄的情况下产生遗漏。（13）实际测量面积：（14）量测点密度：（15）量测点数据量：，每点序号、坐标X、Y、Z和时间按4字节记录，强度按一个字节记录，每点需要21个字节（16）发射及接收激光束间隔内的飞行距离：距离很短，影响到动态重合系数的大小（17）过采样和欠采样：沿扫描方向的估计式为，aL为旁向直径，dx为旁向点距，Q1为过采

30、样，反之为欠采样。6、常用商业LiDAR系统（1）Leica公司LiDAR设备：瑞士，Leica ALS50-II （2）Optech公司LiDAR设备：加拿大，不涉足传统测绘仪器，专攻激光设备，海洋用LiDAR(SHOALS) ，仅用于军方，ALTM 3100EA （3）Riegl公司LiDAR设备：奥地利，以长程广角高精度的工程三维测量闻名，Riegl LiteMapper5600 7、lidar系统部件第4章 机载激光雷达数据的处理1、lidar工程的步骤：项目启动，数据获取，数据处理，精度评定，项目验收2、LiDAR工程数据采集飞行准备：（1）掌握测区概况（地形地貌）（2）选择lidar型号（3）选择飞行平台（一是飞行速度，主要影响雷达的扫描频率的设置，二是飞行高度，主要影响脉冲频率的设置，进而影响点密度和精度）（4）申请航飞权及协调航空飞行（5）制定项目任务书（飞行高度，飞机型号，航摄分区，成果坐标系，野外控制点量测）（6）其他准备工作（地面基站布设，人员配备，天气预报查询，配备维护工具）