三维激光扫描技术复习进程

三维激光扫描技术三维激光扫描技术问题：问题：3D-LST 与 LiDAR三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology,3D-LST）是一种先进的全自动高精度立体扫描技术地面激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanning,TLS）机载激光扫描仪(系统)（Airborne Laser Scanning,ALS）激光扫描测距技术（Light Detection and Ranging LiDAR）是一种快速直接获取地形表面模型的技术LIDAR是一种集激光测距、是一种集激光测距、GPS（全球定位系统）和（全球定位系统）和INS（惯性导航系统）三种技术与一体的空间测量系（惯性导航系统）三种技术与一体的空间测量系统统。是一种新型光传感器。是一种新型光传感器。LIDAR并非雷达并非雷达（Radar），雷达是声波传感器。），雷达是声波传感器。三维激光扫描技术是什么？分类情况？有何用？有什么特点？三维激光扫描技术是用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获取的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术。小尺度小尺度中尺度中尺度大尺度大尺度空间尺度空间尺度Range:XX mm XX mAccuracy:m Range:XX cm XX mAccuracy:mm Range:XX m XX kmAccuracy:cm Range:XX km Accuracy:cm 2001 瑞士Leica收购Cyra开发HDS（high definition surveying）系列地面激光扫描仪,配套软件为cyclone系列 HDS2500（又叫cyrax2500）2003Trimble收购MENSI沿用S系列激光扫描仪，推出G系列，推出VX空间测站 配套软件为Realworks Survey系列。像台台式电脑加拿大Optech 生产ILRIS-3D系列 PDA可控。像台医疗设备。奥地利 Rieal生产LMS系列 LPM 系列，V 系列（具有 在线波形分析 功能），配套软件RiSCAN系列。脉冲厂家。像个机器人美 Faro生产 LS 系列，Photon 系列，配套软件FARO Scence,FARO Scout,FARO Record,FARO Works,FARO Cloud。相位厂家。两个大耳朵日本 Topcon 推出 IS影像型三维扫描全站仪和 GLS-1000德国厂家 CALLIDUS ,Z+F,ArcTion英国厂家 3DLaserMapping澳大利亚厂家 I-SITE中国南方测绘三三维维激光激光扫扫描技描技术术特点：特点：-快速高精度地将三维现实空间数字化，快速高精度地将三维现实空间数字化，并存进并存进数据库数据库-快速扑获大量三维数字化信息，快速扑获大量三维数字化信息，如三维坐标，如三维坐标，几何形体及三维影像信息；几何形体及三维影像信息；-对现实空间物体及对现实空间物体及 性状性状 做实时监控，做实时监控，-对三维现实信息做精确快速处理，对三维现实信息做精确快速处理，分析；分析；-由原来的单点测量变为面式，体式测量；由原来的单点测量变为面式，体式测量；-由原来的影像信息与方位信息分离，转变为多由原来的影像信息与方位信息分离，转变为多源信息的复合获取；源信息的复合获取；-由原来传统的二维平面设计转变为三维可视化由原来传统的二维平面设计转变为三维可视化设计设计三维激光扫描系统主要应用领域 地形测量地形测量建筑物平、立、剖面图的制作建筑物平、立、剖面图的制作船舶外形测量考古现场记录船舶外形测量考古现场记录事故现场调查事故现场调查工厂数字化三维设计改造工厂数字化三维设计改造数字城市数字城市管道三维工程改造重新设计管道三维工程改造重新设计数字文物（大佛数字文物（大佛雕塑雕塑景观小区）存档景观小区）存档矿区土方开挖断面和体积量测矿区土方开挖断面和体积量测 三维激光扫描仪的技术三维激光扫描仪的技术目前应用领域目前应用领域 -三维测量；反向工程；-工程施工质量监控，规划，管理；-三维可视化设计-动态设计优化；-建立三维数字化多源数据库-高精度，多维数字化信息用于紧急应急-城市规划-国土资源评估及管理-重点基础设施维护管理；-三维分析坐标计算公式 仪器坐标系=coscos=cossin=sin点云数据误差大致可分为四类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件、点云配准。仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量误差，包括激光测距的误差；扫描角度测量的误差；与目标物体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、气压等因素。减少误差的方法：减少误差的方法：扫描仪定期标定，确定测距和测角的系统误差。扫描仪定期标定，确定测距和测角的系统误差。扫描作业合理规划，尽量减少测站次数，从而减扫描作业合理规划，尽量减少测站次数，从而减少因点云配准引入的配准误差少因点云配准引入的配准误差缩短扫描距离，减少大气对激光传输的影响。缩短扫描距离，减少大气对激光传输的影响。尽可能进行垂直扫描，避免激光光斑形状造成的尽可能进行垂直扫描，避免激光光斑形状造成的扫描点位置不确定性扫描点位置不确定性采用滤波和拟合等数据处理手段，提高点云数据采用滤波和拟合等数据处理手段，提高点云数据质量质量点云剔除非目标物（不相关点云）建模成果观测南校高楼实验扫描点云线划图建模渲染和纹理谢 谢DOM分辨率分辨率0.2m)DOM&DLGDOM&DEMDOM,DEM&DLGDOM+Laser点云点云+DEMLaser点云数点云数据据机载激光扫描 机载机载LIDAR（机载激光扫描系统）（机载激光扫描系统）全称：激光探测及测距系统全称：激光探测及测距系统机载激光扫描测量系统是一种主动航空遥感装置，是机载激光扫描测量系统是一种主动航空遥感装置，是实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术。形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术。机载激光扫描 激光测距原理激光测距原理激光扫描最基本的工作原理与无线电扫描没有区激光扫描最基本的工作原理与无线电扫描没有区别，即由扫描发射系统发送一个信号，经目标反射后别，即由扫描发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。目标的距离。激光器到反射物体的激光器到反射物体的距离距离(d)=光速光速(c)时间时间(t)/2激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每秒几万激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。结个脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。结合合GPS得到的激光器得到的激光器位置坐标信息位置坐标信息，INS得到的得到的激光激光方向信息方向信息，可以准确地计算出每一个激光点的大地坐，可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成点，大量的激光点聚集成激光点云，组成点云图像。云图像。机载激光扫描 激光扫描工作原理图 机载激光扫描 机载激光扫描设备机载激光扫描设备 机载激光扫描测量系统设备主要包括三大部件：机载激光扫描测量系统设备主要包括三大部件：机载激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统机载激光扫描仪、航空数码相机、定向定位系统POSPOS（包括全球定位系统（包括全球定位系统GPSGPS和惯性导航仪和惯性导航仪IMUIMU）。）。机载激光扫描 POS系统：POS系统部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态，系统部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态，其中其中GPS确定空间位置，确定空间位置，IMU惯导测量仰俯角、侧滚角和航惯导测量仰俯角、侧滚角和航向角数据。向角数据。机载LiDAR采用动态载波相位差分GPS系统，利用安装了电机上与LiDAR相连接的和设在一个或多个基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测GPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，再进行载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理，获取LiDAR的三维坐标。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对实践进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。机载激光扫描 激光扫描仪：机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据，机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据，测量地形同时记录回波强度及波形测量地形同时记录回波强度及波形激光扫描仪激光扫描仪，是是LiDARLiDAR的核心，一般由激光发射器、接收器、时间间的核心，一般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。线激光器发出的光平面扫描物体表面，面阵CCD采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像，在计算机中对激光扫描线图像进行处理，依据空间物点与CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息，得到物体表面的三维坐标数据，快速建立原型样件的三维模型。机载激光扫描 数码相机：航空数码相机部件拍摄采集航空影像数据。航空数码相机部件拍摄采集航空影像数据。利用高分辨率的数码相机获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息，经过纠正、镶嵌可形成彩色正射数字影像，可对目标进行分类识别，或作为纹理数据源。机载机载LIDAR的的特点特点一种直接测量系统（主动式）；能够穿透植被的叶冠；基本不需要地面控制点，基本不需要进入测量现场；24小时全天候工作；数据的绝对精度在0.30米以内；提供密集的点阵数据(点间距可以小于1米)；可同时测量地面和非地面层；具有迅速获取数据的能力。机载激光扫描 机载激光扫描 LiDAR数据采集及处理流程LiDAR的应用的应用数字高程模型数字高程模型(DEM)的应用的应用农林业方面应用农林业方面应用电力行业应用电力行业应用公路勘察设计应用公路勘察设计应用海岸工程方面应用海岸工程方面应用灾害监测与环境监测应用灾害监测与环境监测应用数字城市应用数字城市应用LiDAR在数字高程模型(DEM)的应用和传统测绘方法相比，和传统测绘方法相比，LiDAR具有的优势：具有的优势：1、能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。、能更快捷、经济地获取高密度、高精度的大面积的高程数据。2、建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响、建筑物和植被阴影对周围物体测量不造成的影响3、在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势、在其他的测量仪器难以到达的区域具有独特的优势4、Lidar直接获取三维坐标，无需对直接获取三维坐标，无需对DEM数据进行正射校正。数据进行正射校正。LiDAR在农林业方面应用 激光扫描技术能够精确地获取树木和林冠下地形地貌和农作物信息，在农业、林业调查与规划利用中，我们可以利用激光扫描的数据，分析森林树木、农作物的覆盖率和面积，了解其疏密程度以及不同树龄树木的情况、推算其数量，以便于人们对森林和农业进行合理规划和利用。LiDAR在电力行业应用对于规划电网线路，通过机载激光扫描测量对于规划电网线路，通过机载激光扫描测量技术采集和处理的规划沿线数据，为电力线路优技术采集和处理的规划沿线数据，为电力线路优化，外业勘测，设计施工提供数据支持与指导。化，外业勘测，设计施工提供数据支持与指导。对于已建设电网线路，利用机载激光扫描测对于已建设电网线路，利用机载激光扫描测量技术采集和处理的电网沿线数据，可以恢复电量技术采集和处理的电网沿线数据，可以恢复电线实际形状，自动测量电线到地面的距离和相邻线实际形状，自动测量电线到地面的距离和相邻电线间距，计算垂曲度、跨度等，实现危险点预电线间距，计算垂曲度、跨度等，实现危险点预警，以便及时调整与维修线路。警，以便及时调整与维修线路。LiDAR在公路勘察设计应用传统的公路勘察设计方法主要基传统的公路勘察设计方法主要基于航空摄影测量辅之于人工测量的于航空摄影测量辅之于人工测量的方式，但是航空摄影测量方法受天方式，但是航空摄影测量方法受天气、地形、植被的影响和精度限制，气、地形、植被的影响和精度限制，无法获取桥隧设计所需的无法获取桥隧设计所需的1:500比例比例尺高精度数据资料；而采用尺高精度数据资料；而采用GPS、全站仪等人工地面测量的方法，由全站仪等人工地面测量的方法，由于地势陡峭、植被遮挡等原因，往于地势陡峭、植被遮挡等原因，往往难以施测且很难适应工程建设的往难以施测且很难适应工程建设的需求。需求。针对困难复杂环境下三维地表数针对困难复杂环境下三维地表数据的高精度获取和处理环节，以低据的高精度获取和处理环节，以低空直升机作为载体的激光测量，改空直升机作为载体的激光测量，改变传统地形图生产的制作流程和方变传统地形图生产的制作流程和方法，实现法，实现1:500大比例尺数字线划地大比例尺数字线划地形图的快速生成。形图的快速生成。LiDAR在海岸工程方面的应用传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。机载新基准测量数据。机载LIDAR是一种主动传感技术，能以低成本是一种主动传感技术，能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能力，可测量近海水深力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。LiDAR在灾害监测与环境监测方面的应用利用机载利用机载LIDAR产生的产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范，水文学家可以预测洪水的范围，制定灾难减轻方案以及补救措施。也广泛应用于自然灾害围，制定灾难减轻方案以及补救措施。也广泛应用于自然灾害（如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。（如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。由于激光扫描数据构成的三角网高程值可以用颜色表示不同由于激光扫描数据构成的三角网高程值可以用颜色表示不同高度的水位，对于水利测量、水灾评估都极有用处。高度的水位，对于水利测量、水灾评估都极有用处。城市淹没分析LiDAR在灾害监测与环境监测方面的应用泥石流监测地震断裂带监测LiDAR在数字城市方面的应用在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发展的必然，也是展的必然，也是“数字地球数字地球”的要求。因此，对快速获取三维空的要求。因此，对快速获取三维空间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。LIDAR系统在系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。规划的大比例尺地形图获取。城市整体规划具有多次反射LIDAR数据预处理（消除大误差）消除树丛（利用多次反射）分类地面点删除地面点清除噪声和碎片得到建筑物点生成DEM生成DOM提取建筑物矢量轮廓三维数字建筑物模型航空影像利用机载利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模数据提取城市三维建筑物模型型矢量数据采集和3D建模GeorgeVosselman2005 三维建模 三维建模 三维建模