機載激光雷達基礎(chǔ)原理與應(yīng)用

前言

　　從空中和太空觀測地球獲取影像是20世紀的重大成果之一，短短幾十年，遙感數(shù)據(jù)獲取手段迅猛發(fā)展。在信息時代，測繪已發(fā)展成為地球空間信息學?！　〉厍蚩臻g信息學所獲取和處理的是隨時間和空間分布和變化的信息。攝影測量與遙感是獲取這種信息的主要手段。隨著技術(shù)的進步，人們不斷研究和改進遙感數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并將其投入應(yīng)用研究和生產(chǎn)實踐。如今，集成了GPS技術(shù)、慣性導航技術(shù)、激光測距技術(shù)等先進技術(shù)的機載激光雷達技術(shù)具有很強的市場競爭力和廣闊的應(yīng)用前景，其綜合性價比要強于傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，正日益成為遙感數(shù)據(jù)采集技術(shù)的一種重要方式?！　±眉す庾鳛檫b感設(shè)備起源于宇宙航天的需要，在航天工程實踐中，人們?yōu)榈玫叫乔蛑g的距離（地球與月球、衛(wèi)星與星球等）而研究使用了激光測距設(shè)備和技術(shù)，并取得了較好的結(jié)果。20世紀70年代，在美國的阿波羅登月計劃中就成功地使用了激光測距裝置。20世紀80年代，以美國和德國為首的發(fā)達國家開始積極開展機載激光雷達技術(shù)的可行性研究，其標志性成果為1990年德國Ackermann教授領(lǐng)銜研制的在Stuttgart大學誕生的世界上第一個激光斷面測量系統(tǒng)。1993年，德國出現(xiàn)首個商用機載激光雷達系統(tǒng)TopScan?！　‰S著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，機載激光雷達技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，歐美等發(fā)達國家的許多公司和科研機構(gòu)投入了大量的人力、物力和財力進行相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的研究，并先后研制出多種機載激光雷達系統(tǒng)，相繼投入商業(yè)運作。目前生產(chǎn)機載激光雷達系統(tǒng)的公司主要有Leica、Optech、TopoSys、Riegl、IGI、TopEye、TopScan等。機載激光雷達在測繪市場所占的份額不斷擴大，其應(yīng)用的領(lǐng)域和深度也日益拓寬和加深?！　∥覈膶W者也投入到了激光雷達技術(shù)的研究中，北京遙感所李樹楷教授等研制的機載激光測距—成像系統(tǒng)于1996年完成了原理樣機的研制，但該系統(tǒng)距實用化尤其是形成產(chǎn)品尚有一段距離。我國的中國科學院光電研究院也已經(jīng)在研制機載激光雷達系統(tǒng)，目前研制進展比較順利。也有一些公司從國外引進了機載激光雷達設(shè)備用于商業(yè)運作。截至2008年，國內(nèi)擁有的機載激光雷達系統(tǒng)為15套左右，其中很多都處于性能摸索階段，沒有能夠完全發(fā)揮其作用?？傮w而言，我國在機載激光雷達的硬件研制及理論研究和工程實踐應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理等方面都落后于發(fā)達國家。

內(nèi)容概要

本書共分6章：第1章簡要介紹了激光的物理基礎(chǔ)知識，激光技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，激光器的產(chǎn)生、種類及發(fā)展等內(nèi)容；第2章講解了機載激光雷達的基本知識，包括激光成像技術(shù)，針對測繪的機載激光雷達系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)、原理、掃描方式、構(gòu)想方程及主要參數(shù)，全面地介紹了常用的商業(yè)機載激光雷達系統(tǒng)；第3章對機載激光雷達系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)組成進行了詳細論述，包括數(shù)據(jù)的種類、數(shù)據(jù)的格式、各種數(shù)據(jù)的特點及主要處理方法；第4章深入討論了三維點云數(shù)據(jù)處理的基本原理和方法以及主要產(chǎn)品的生產(chǎn)流程和常用算法，包括激光腳點的三維坐標計算、濾波方法、建筑物的提取、地物目標分類等；第5章分析了機載激光雷達數(shù)據(jù)的誤差來源，深入闡述了各種誤差的原理、校正方法；第6章針對目前生產(chǎn)部門所關(guān)心的效率和成本問題，將機載激光雷達技術(shù)與同類技術(shù)進行了全面的比較。     本書適于遙感科學與技術(shù)，測繪工程等專業(yè)的本科生和研究生，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章  激光物理基礎(chǔ)	  1.1  激光與激光技術(shù)	  1.2  激光原理	  1.3  激光器	第2章  機載激光雷達  2.1  激光成像技術(shù)	  2.2  機載激光雷達系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)	  2.3  機載激光雷達系統(tǒng)	第3章  激光雷達數(shù)據(jù)簡介	  3.1  數(shù)據(jù)組成及數(shù)據(jù)格式	  3.2  強度信息數(shù)據(jù)的特點及處理	  3.3  波形數(shù)據(jù)及其處理	  3.4  數(shù)碼影像數(shù)據(jù)及其處理	  3.5  激光雷達點云數(shù)據(jù)及其特點	第4章  機載激光雷達數(shù)據(jù)處理	  4.1  基本流程	  4.2  濾波處理	  4.3  建筑物分割及模型生成	  4.4  對Lidar數(shù)據(jù)中其他類別的提取	第5章  機載激光雷達的誤差及其校正	  5.1  量測誤差	  5.2  硬件安置誤差	  5.3  數(shù)據(jù)處理誤差	  5.4  誤差的消除	第6章  機載激光雷達技術(shù)與同類技術(shù)的比較	  6.1  機載激光雷達技術(shù)與航空攝影測量技術(shù)的比較	  6.2  機載激光雷達技術(shù)與機載INSAR技術(shù)的比較	參考文獻	后記

章節(jié)摘錄

　　2.激光在加工領(lǐng)域的應(yīng)用　　以激光良好的單色性和相干性為基礎(chǔ)，激光全息技術(shù)可以用做無損探傷，即不用損壞零件便可檢測出零件內(nèi)部的缺陷。利用激光亮度高和方向性好的特點可以進行精密的機械加工，如可以在零件上打一般鉆頭不能打的異形孔和尺寸達微米級的小孔。利用激光進行切割具有速度快、切面光潔及不發(fā)生形變的特點，激光焊接可焊一般焊接法不能焊的難熔金屬。還可以利用激光亮度高、能量集中、可通過理論計算進行控制的特點對金屬工件表面進行改性處理?！　?.激光信息處理　　引入激光全息技術(shù)后，能大幅度提高信息處理能力。普通照相只記錄了物體表面的光強分布，沒有記錄從物體各部分到觀察者的遠近和角度，即沒記錄下物體發(fā)出光線的相位分布，這樣的像沒有立體感。全息照相是用相干光照射物體，從物體反射或漫射的光不是經(jīng)透鏡成像而是直接照射到全息底片上，用干涉圖樣把那些光的光強分布和相位記錄下來。底片上并沒有被拍物體的形象，在顯微鏡下看到的是一幅長短不一、間距不等、走向不同的復(fù)雜干涉條紋，稱為全息圖。要想看到物體形象，再用相干光按一定方式照射全息圖，便可在一定方向看到物體的像，稱為再現(xiàn)。因為再現(xiàn)的是從物體反射或漫射的光束本身，所以像是立體的。　　因為激光的相干性很好，用聚光系統(tǒng)可以把激光聚焦成比針頭還細小的光束，所以它在介質(zhì)上寫入信息所占空間尺寸可以非常?。ㄐ∮?m），因而信息存儲密度很大。

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