激光雷达的完整指南:光探测和测距

华盛顿特区美国国会大厦三维激光雷达点云

什么是光探测和测距(激光雷达)?

你想如何挥动你的魔杖,突然发现一切离你有多远?不需要魔法棒。这就是激光雷达(光探测和测距)的工作原理。当然,没有魔杖!

激光雷达基本上是一种远程技术。激光雷达系统从飞机或直升机主动向地面发射光能。这个 脉冲 撞击地面并返回传感器。

基本上,它测量发射光返回传感器需要多长时间。最后,它与地球的距离是可变的。

实际上,激光雷达就是这样命名的- 光探测和测距 .

但我们再仔细分析一下激光雷达。例如,激光雷达系统生成什么?激光雷达在GIS中的应用是什么?

让我们揭开光探测和测距的神秘面纱。希望读完这篇文章,你会从零变成激光雷达英雄。

激光雷达能产生什么输出?

激光雷达是主动遥感。这意味着激光雷达系统发送一个光脉冲,等待脉冲返回。这是 different than passive sensors 它收集来自太阳的反射能量。主动传感器非常精确,因为它在平台中被控制。

激光雷达是一种采样工具。我的意思是,它具有每秒发送160000个脉冲的强力。在激光雷达点云,它创造了数百万点。通常,点密度小于1米,垂直精度约为15厘米,水平精度约为40厘米。

机载光探测和测距(激光雷达)

一个激光雷达装置在飞机飞行时从一边到另一边扫描地面,因为这覆盖了一个更大的区域。虽然有些脉冲将直接在最低点,但大多数脉冲以一定角度(偏离最低点)运动。当激光雷达系统计算仰角时,需要考虑角度。

光探测和测距是一种令人兴奋的技术产品,具有多种应用。激光雷达的一些输出是什么?

1退货数量

想象你在森林里徒步旅行。你抬头看。

阳光透过林冠

如果你能看到光,这意味着激光雷达脉冲也可以通过。同样,这意味着激光雷达也可以击中裸露的土地或短的植被。大量的激光雷达能量可以像阳光一样穿透森林的树冠。

但激光雷达不一定只会撞到光秃秃的地面。在森林地区,它可以反射森林的不同部分,直到脉冲最终到达地面:

使用激光雷达获取裸露的地面点,你就不能通过植被进行X光透视。你真的在透过树叶的缝隙窥视。激光雷达收集大量的点。

这些分支的多次点击是返回的次数。

在森林里,激光脉冲下降。我们从森林的不同部分得到反射——第一、第二、第三次返回,直到它最终到达光秃秃的地面。如果路上没有森林的话,它只会撞到地面。

有时光脉冲不会反射出一个物体。与树的情况一样,一个光脉冲可能有多个返回。激光雷达系统可以记录信息,从顶棚顶部开始,通过顶棚一直到地面。这使得激光雷达对了解森林结构和树木形状具有很高的价值。

2数字高程模型

如何从激光雷达建立数字高程模型?

数字高程模型是地球表面的裸地(拓扑)模型。您可以通过使用激光雷达的地面撞击来获得数字高程模型(或数字地形模型)。地面打击是激光雷达的最后一次返回。

有时,最后一次返回甚至可能无法到达空旷的地面。但对于激光雷达来说,这比你想象的要罕见。

哪些是地面打击?有过滤激光雷达点的方法。以地面撞击(仅拓扑结构)表示激光雷达的最后一次返回。

过滤最后一个回流接地点。然后,插入这些点。最后,建立你的DEM。

使用DEM,可以生成诸如坡度(以度或百分比表示的上升或下降)、坡向(坡度方向)和阴影(考虑照明角度的阴影地形)地图等产品。

激光雷达数字高程模型

3雨棚高度模型(CHM)

光探测和测距可以获得非常精确的地表信息。我们还可以通过一个 Digital Surface Model (DSM)。

树冠高度模型(标准化数字表面模型(NDSM))提供了地面拓扑特征的真实高度。

那么,你如何在地球上获得真正的特征高度呢?

第一次返回包括拓扑(树、建筑)。减去最后一个返回值,即地面撞击值(裸地)。

例如:

树的顶部高度减去地面高度。插入结果。你可以在地面上看到真实高度的特征。

激光雷达冠层高度模型

4光强

激光雷达回波强度随反射回波的表面物体的成分而变化。反射百分比被称为激光雷达强度。

但是有很多因素影响光的强度。距离、入射角、光束、接收器和表面成分(特别是)影响光强。当脉冲进一步倾斜时,返回能量减小。

光强度在区分土地利用/覆盖特征方面特别有用。例如,不透水的表面在光照强度图像中很突出。 Object-based image classification segmentation 可以使用光强度值分离这些功能。

5点分类

激光雷达数据集可能已经由供应商用点分类进行分类。这些编码是由反射的激光脉冲以半自动方式产生的。

并非所有供应商都会添加此LAS分类字段。实际上,这通常是事先在合同中约定的。

这个 American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) 已为激光雷达定义分类代码列表。例如,分类包括地面、植被(低、中、高)、建筑、水、未分配等。

点分类可以分为多个类别。如果是这样的话,这些点通常会被标记并具有二级类。

激光雷达数据是一种珍贵的GIS资源。

如果你给我5秒倒计时来选择一个GIS数据类型,在我的余生中使用……我可能会开始尖叫LIDAAARRRRR!

是的,我会很戏剧化,因为你给了我5秒钟的倒计时。

光探测和测距精度高、规模大、覆盖范围广。你可以雕刻裸露地面的高度,树冠高度,光强度等等。任何认真了解景观拓扑的人都应该使用激光雷达。

但是激光雷达是一个庞大的数据集。激光雷达存储在 LAS file format 作为由ASPR维护的点云。LAS格式有助于供应商和客户之间的交流,不会丢失任何信息。

那么激光雷达数据在哪里?在哪里可以找到样品,甚至免费激光雷达数据?

这是一份 top 6 free LiDAR data sources 让你在搜索过程中快速开始。

没有比自由更好的了。

但在大多数情况下,你必须购买激光雷达数据。激光雷达通常由直升机、飞机和无人机进行商业飞行。

从地面到空中,探索激光雷达系统的类型

1. Profiling LiDAR was the first type of Light Detection and Ranging used in the 1980s for single line features such as power lines. Profiling LiDAR sends out an individual pulse in one line. It measures height along a single transect with a fixed Nadir angle.

2.**小尺寸激光雷达** 是我们今天使用的。小脚印激光雷达扫描大约20度前后移动(扫描角度)。如果超过20度,激光雷达仪器可能会开始看到树木的侧面,而不是直线下降。

激光雷达有两种类型:地形和水深:

i. Topographic LIDAR maps the land typically using near-infrared light.

ii.**测深光达** 使用穿透水的绿灯测量海底和河床的高度。

3. Large Footprint LiDAR uses full waveforms and averages LiDAR returns in 20m footprints. But it’s very difficult to get terrain from large footprint LiDAR because you get a pulse return based on a larger area which could be sloping. There are generally less applications for large footprint LiDAR. Only SLICER (Scanning Lidar Imager of Canopies by Echo Recovery) and LVIS (Laser Vegetation Imaging Sensor), both built by NASA and are experimental.

4. Ground-based LiDAR sits on a tripod and scans the hemisphere. Ground-based LiDAR is good for scanning buildings. It’s used in geology, forestry, heritage preservation and construction applications.

激光雷达应用专业人员现在使用

光探测和测距每天都被用于测量、林业、城市规划等领域。下面是几个最突出的激光雷达应用程序:

  • 河岸生态学家 使用激光雷达来描绘流的顺序。通过激光雷达衍生的DEM,支流变得清晰。比标准的航空摄影更容易看到它们的发展方向。
  • 森林管理员 使用激光雷达更好地了解森林结构和树的形状,因为一个光脉冲可以有多个回报。与树木一样,激光雷达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。
  • 如果 谷歌的自动驾驶 汽车被警察拦下了,会有什么反应?自动驾驶汽车使用光探测和测距。谷歌自动驾驶汽车背后的第一个秘密是激光雷达扫描仪。它检测行人、骑车人、停车标志和其他障碍物。
  • 考古学家 使用激光雷达发现地面海拔的细微变化。当考古学家在植被上发现地面上的方形图案时,有点惊讶。后来,他们发现这些方形图案是古代玛雅和埃及文明建造的古建筑和金字塔。

阅读更多信息: 100 Earth-Shattering Remote Sensing Applications & Uses

激光雷达系统部件:分解

光探测和测距系统是如何工作的?机载激光雷达有4个部分。激光雷达系统的这4个部分共同工作,产生高精度、可用的结果:

  • 激光雷达传感器 当飞机飞行时,从一边到另一边扫描地面。传感器通常为绿色或近红外波段。
  • GPS接收机 跟踪飞机的高度和位置。这些变量对于获得准确的地形高程值很重要。
  • 惯性测量单位(IMU) 跟踪飞机飞行时的倾斜度。仰角计算使用倾斜来精确测量脉冲的入射角。
  • 计算机(数据记录器 )当激光雷达扫描表面时,记录所有高度信息。

这些激光雷达部件共同构成了一个光探测和测距系统。

回波存储:全波形与离散激光雷达

光探测和测距返回脉冲以两种方式存储:

  • 全波形
  • 离散激光雷达

全波激光雷达系统和离散激光雷达系统有什么区别?

想象一下,在森林里激光雷达脉冲多次被树枝击中。脉冲在第一、第二、第三次返回时返回。然后你会得到一个很大的脉冲光地面返回。

当您将数据记录为单独的返回时,将调用 离散返回激光雷达 。离散取每个峰值并分离每个返回。

光探测和测距正朝着全波形系统移动:

当你将整个返回记录为一个连续波时,这将被称为 全波形激光雷达 . 全波形数据更复杂。您可以简单地计算峰值,这使得它是离散的。

你的激光雷达项目是什么?

光探测和测距使用激光来测量森林、建筑物和裸地等地貌的海拔高度。

它类似于声纳(声波)或雷达(无线电波),因为它发送脉冲并测量返回所需的时间。但是激光雷达与声纳和雷达不同,因为它使用光。同样,激光雷达是一个活跃的遥感系统。

激光雷达的应用令人惊叹。它肯定在GIS中增长。

例如,林业、考古学、土地利用测绘、洪水模拟、交通规划、建筑、油气勘探、公共安全、自动化车辆、军事和保护利用激光雷达。如果激光雷达被集成到任何地方,我们都有一个镍,那我们就是布鲁斯·韦恩·里奇。

我们已经用这个激光雷达指南分解了光探测和测距。你现在可以认为自己是激光雷达大师了。


来源:OSGeo中国中心

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