LiDAR完整指南:光检测和测距

LiDAR完整指南:光检测和测距

国会大厦激光雷达
美国国会大厦在华盛顿特区的3D激光雷达点云

作者:GIS地理·最新更新:2020年4月9日

什么是光探测与测距(LiDAR)?

您想如何挥动魔杖,突然发现所有事物离您有多远?

不需要魔术棒。这就是LiDAR(光检测和测距)的工作方式。当然,没有魔杖!

让我们揭开光检测和测距的神秘面纱。希望读完这篇文章后,您将从零开始成为LiDAR英雄。

激光雷达101

激光雷达从根本上讲是一种距离技术。LiDAR系统通过飞机或直升机将光发射到地面。

该脉冲撞击地面并返回传感器。然后,它测量光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。实际上,这也是LiDAR得名的方式-光检测和测距。

激光雷达的工作原理

LiDAR是一种采样工具。我的意思是,它每秒发送超过160,000个脉冲。每1米的像素每秒获得约15个脉冲。这就是为什么LiDAR点云会创建数百万个点的原因。

机载光检测和测距(LiDAR)
机载光检测和测距(LiDAR)

LiDAR系统非常精确,因为它是在平台中进行控制的。例如,垂直精度仅为15厘米,水平精度仅为40厘米。

当飞机在空中飞行时,LiDAR单元从一侧到另一侧扫描地面。虽然有些脉冲将在最低点正下方,但大多数脉冲会以一定角度传播(偏离最低点)。因此,当LiDAR系统计算仰角时,它还会考虑角度。

通常,线性LiDAR的扫描宽度为3,300英尺。但是像Geiger LiDAR这样的新技术可以扫描16,000 ft的宽度。与传统LiDAR相比,这种类型的LiDAR可以覆盖更广泛的覆盖范围。

LiDAR可以产生什么?

1.返回数量

想象您在森林里远足。然后,您仰望天空。如果可以看到光,则意味着LiDAR脉冲也可以通过。此外,这意味着LiDAR可以撞击裸露的地球或短小的植被。

森林激光雷达
如果您透过林冠看到阳光,那么LiDAR也可以

就像阳光一样,大量的光穿透森林的树冠。但是,LiDAR不一定会光着膀子。在森林覆盖的地区,它可以反射出森林的不同部分,直到脉冲最终击中地面。

通过使用LiDAR获取裸露的地面点,您无需对植被进行X射线检查。相反,您实际上是在凝视树叶中的空白。当它击中分支时,您将获得多个击中或返回。

2.返回编号
退货数量

在森林中,激光脉冲向下传播。当光线照射到森林的不同部分时,您将获得“返回编号”。例如,您将获得第一,第二,第三次回报,直到最终触手可及。如果没有森林,它将直接撞击地面。

有时一束光不会反射出一件事。与树木的情况一样,一个光脉冲可能具有多个返回。LiDAR系统可以记录从树冠顶部到树冠一直到地面的信息。这使得LiDAR对于解释森林的结构和树木的形状非常有价值。

3.数字高程模型
激光雷达

数字高程模型(DEM)是地球表面的裸地(地形)模型。通过仅使用地面收益,可以构建DEM。但这不同于数字地形模型(DTM),因为DTM合并了轮廓。

通过使用DEM,可以生成其他产品。例如,您可以创建:

  • 斜率(以度或百分比表示的上升或下降)
  • 外观(坡度方向)
  • 山体阴影(考虑照明角度的阴影浮雕)
4.数字表面模型
摄影测量点云

如您所知,LiDAR穿越森林。最终,光到达地面。然后,我们得到了裸露的地球回报。但是,打到树上的第一笔收益呢?

数字表面模型(DSM)结合了自然和建筑表面的高程。例如,它增加了建筑物,树冠,电力线和其他要素的标高。

5.机盖高度模型
机盖高度模型

冠层高度模型(CHM)为您提供了地面地形特征的真实高度。我们还将这种高程模型称为标准化数字表面模型(nDSM)。

首先,以DSM为例,其中包括自然和已建要素,例如树木和建筑物。接下来,从裸露的地球(DEM)中减去这些标高。当您将两者相减时,将得到一个代表地面实际高度的要素表面。

6.光强度
光强度

LiDAR回波的强度随反射回波的表面物体的成分而变化。反射百分比称为LiDAR强度。

但是有许多因素影响光强度。例如,范围,入射角,光束,接收器和表面成分(特别是)会影响光强度。一个例子是当脉冲倾斜得更远时,返回能量减小。

光强度在区分土地使用/覆盖的特征时特别有用。例如,不可渗透的表面在光强度图像中突出。这就是为什么光强度适合基于对象的图像分析之类的图像分类的原因。

7.点分类
激光雷达点分类

美国摄影测量与遥感学会(ASPRS)为LiDAR点分类指定了一组分类代码。

例如,类别可以包括地面,植被(低,中和高),建筑物和水等。有时,点分类可能属于多个类别。在这种情况下,供应商通常会将这些点标记为辅助类。

供应商可能会或可能不会对LiDAR进行分类。通过反射的激光脉冲以半自动方式生成代码。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来源在哪里?

LiDAR数据是一种稀有的宝贵资源。但是由于开放数据程序,它们变得越来越广泛。

那么,LiDAR数据在哪里?以下是前6个免费LiDAR数据源的列表,可让您快速开始搜索。

如果找不到所需的内容,则很可能必须购买LiDAR数据。供应商通常会通过直升机,飞机和无人机在商业上使用LiDAR。

激光雷达的类型是什么?

让我们探讨一下LiDAR系统的类型。它们的区别在于:

  • 占地面积大小
  • 波长
  • 位置对齐
分析激光雷达

对LiDAR进行配置分析是1980年代有史以来第一个使用的系统。它专门研究电源线等直线功能。对LiDAR进行配置分析可在一行中发送单个脉冲。在固定的最低点,它沿单个样条线测量高度。

小型激光雷达

小型激光雷达是我们今天最常用的。它以大约20度的扫描角度进行扫描。然后,它向前和向后移动。如果超过20度,则LiDAR仪器可能会开始看到树木的侧面,而不是直下。

  • 地形LiDAR通常使用近红外光绘制土地图。
  • 测深激光雷达使用透水绿光来测量海底和河床标高。
大尺寸激光雷达

大占位面积LiDAR使用占地20m的完整波形。但是它的精度很低,因为脉冲返回可能包括倾斜的地形。NASA的两个著名实验使用了这种类型的激光雷达:

  • SLICER(通过回波扫描扫描机盖的激光雷达成像仪)
  • LVIS(激光植被成像传感器)
地面激光雷达

地面激光雷达坐在三脚架上并扫描半球。这对于扫描建筑物特别有用。但是在地质,林业和建筑中也有应用。

盖革模式激光雷达

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

国会大厦激光雷达
美国国会大厦在华盛顿特区的3D激光雷达点云

LiDAR系统组件

机载激光雷达有4个主要部分。他们共同努力以产生高度准确,可用的结果:

激光雷达传感器:随着飞机的飞行,传感器从一侧到另一侧扫描地面。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。这些轨迹对于准确的地形和高程值很重要。

惯性测量单位(IMU):随着飞机的飞行,IMU跟踪其倾斜度。LiDAR系统使用倾斜来精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。然后,这些录音被转换为高程。

全波形与离散波形

LiDAR系统以两种方式存储LiDAR退货:

  • 全波形
  • 离散激光雷达
离散激光雷达

想象一下,LiDAR脉冲穿过林区进行扫描。由于脉冲击中了多个分支,因此您将获得第一,第二,第三返回。然后,您通过裸露的接地回路得到一个较大的最终脉冲。

当您将数据记录为单独的收益时,这就是“离散收益LiDAR”。简而言之,离散LiDAR采集每个峰并分离每个回波。

全波形激光雷达

当您将整个收益记录为一个连续波时,这就是全波形LiDAR。因此,您只需要计算峰值,这便使其离散。

即使完整的波形数据更加复杂,LiDAR也正在朝着完整的波形系统发展。

全波形激光雷达

激光雷达项目和应用

人们使用LiDAR的应用令人惊叹。例如,以下是我们今天使用LiDAR的一些方法:

林业:林业人员使用LiDAR更好地了解树木的结构和形状。
自动驾驶:自动驾车使用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:考古学家利用激光雷达来发现在地面,这是古建筑和金字塔的玛雅和埃及文明建设正方形图案。
水文:水文学家描绘从激光雷达流订单和支流。