激光雷達的完整指南：光探測和測距?

華盛頓特區美國國會大廈三維激光雷達點云

什么是光探測和測距（激光雷達）？?

你想如何揮動你的魔杖，突然發現一切離你有多遠？不需要魔法棒。這就是激光雷達（光探測和測距）的工作原理。當然，沒有魔杖！

激光雷達基本上是一種遠程技術。激光雷達系統從飛機或直升機主動向地面發射光能。這個 脈沖 撞擊地面并返回傳感器。

基本上，它測量發射光返回傳感器需要多長時間。最后，它與地球的距離是可變的。

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實際上，激光雷達就是這樣命名的- 光探測和測距 .

但我們再仔細分析一下激光雷達。例如，激光雷達系統生成什么？激光雷達在GIS中的應用是什么？

讓我們揭開光探測和測距的神秘面紗。希望讀完這篇文章，你會從零變成激光雷達英雄。

閱讀更多信息： Top 6 Free LiDAR Data Sources。

激光雷達能產生什么輸出？?

激光雷達是主動遙感。這意味著激光雷達系統發送一個光脈沖，等待脈沖返回。這是 different than passive sensors 它收集來自太陽的反射能量。主動傳感器非常精確，因為它在平臺中被控制。

激光雷達是一種采樣工具。我的意思是，它具有每秒發送160000個脈沖的強力。在激光雷達點云，它創造了數百萬點。通常，點密度小于1米，垂直精度約為15厘米，水平精度約為40厘米。

機載光探測和測距（激光雷達）

一個激光雷達裝置在飛機飛行時從一邊到另一邊掃描地面，因為這覆蓋了一個更大的區域。雖然有些脈沖將直接在更低點，但大多數脈沖以一定角度（偏離更低點）運動。當激光雷達系統計算仰角時，需要考慮角度。

光探測和測距是一種令人興奮的技術產品，具有多種應用。激光雷達的一些輸出是什么？

1退貨數量?

想象你在森林里徒步旅行。你抬頭看。

陽光透過林冠

如果你能看到光，這意味著激光雷達脈沖也可以通過。同樣，這意味著激光雷達也可以擊中 *** 的土地或短的植被。大量的激光雷達能量可以像陽光一樣穿透森林的樹冠。

但激光雷達不一定只會撞到光禿禿的地面。在森林地區，它可以反射森林的不同部分，直到脈沖最終到達地面：

使用激光雷達獲取 *** 的地面點，你就不能通過植被進行X光透視。你真的在透過樹葉的縫隙窺視。激光雷達收集大量的點。

這些分支的多次點擊是返回的次數。

在森林里，激光脈沖下降。我們從森林的不同部分得到反射——之一、第二、第三次返回，直到它最終到達光禿禿的地面。如果路上沒有森林的話，它只會撞到地面。

有時光脈沖不會反射出一個物體。與樹的情況一樣，一個光脈沖可能有多個返回。激光雷達系統可以記錄信息，從頂棚頂部開始，通過頂棚一直到地面。這使得激光雷達對了解森林結構和樹木形狀具有很高的價值。

2數字高程模型?

如何從激光雷達建立數字高程模型？

數字高程模型是地球表面的裸地（拓撲）模型。您可以通過使用激光雷達的地面撞擊來獲得數字高程模型（或數字地形模型）。地面打擊是激光雷達的最后一次返回。

有時，最后一次返回甚至可能無法到達空曠的地面。但對于激光雷達來說，這比你想象的要罕見。

哪些是地面打擊？有過濾激光雷達點的 *** 。以地面撞擊（僅拓撲結構）表示激光雷達的最后一次返回。

過濾最后一個回流接地點。然后，插入這些點。最后，建立你的DEM。

使用DEM，可以生成諸如坡度（以度或百分比表示的上升或下降）、坡向（坡度方向）和陰影（考慮照明角度的陰影地形）地圖等產品。

閱讀更多信息： Free Global DEM Data Sources。

激光雷達數字高程模型

3雨棚高度模型（CHM）?

光探測和測距可以獲得非常精確的地表信息。我們還可以通過一個 Digital Surface Model (D *** )。

樹冠高度模型（標準化數字表面模型（ND *** ））提供了地面拓撲特征的真實高度。

那么，你如何在地球上獲得真正的特征高度呢？

之一次返回包括拓撲（樹、建筑）。減去最后一個返回值，即地面撞擊值（裸地）。

例如：

樹的頂部高度減去地面高度。插入結果。你可以在地面上看到真實高度的特征。

激光雷達冠層高度模型

4光強?

激光雷達回波強度隨反射回波的表面物體的成分而變化。反射百分比被稱為激光雷達強度。

但是有很多因素影響光的強度。距離、入射角、光束、接收器和表面成分（特別是）影響光強。當脈沖進一步傾斜時，返回能量減小。

光強度在區分土地利用/覆蓋特征方面特別有用。例如，不透水的表面在光照強度圖像中很突出。 Object-based image classification segmentation 可以使用光強度值分離這些功能。

5點分類?

激光雷達數據集可能已經由供應商用點分類進行分類。這些編碼是由反射的激光脈沖以半自動方式產生的。

并非所有供應商都會添加此LAS分類字段。實際上，這通常是事先在合同中約定的。

這個 American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS) 已為激光雷達定義分類代碼列表。例如，分類包括地面、植被（低、中、高）、建筑、水、未分配等。

點分類可以分為多個類別。如果是這樣的話，這些點通常會被標記并具有二級類。

激光雷達數據是一種珍貴的GIS資源。?

如果你給我5秒倒計時來選擇一個GIS數據類型，在我的余生中使用……我可能會開始尖叫LIDAAARRRRR！

是的，我會很戲劇化，因為你給了我5秒鐘的倒計時。

光探測和測距精度高、規模大、覆蓋范圍廣。你可以雕刻 *** 地面的高度，樹冠高度，光強度等等。任何認真了解景觀拓撲的人都應該使用激光雷達。

但是激光雷達是一個龐大的數據集。激光雷達存儲在 LAS file format 作為由ASPR維護的點云。LAS格式有助于供應商和客戶之間的交流，不會丟失任何信息。

那么激光雷達數據在哪里？在哪里可以找到樣品，甚至免費激光雷達數據？

這是一份 top 6 free LiDAR data sources 讓你在搜索過程中快速開始。

沒有比自由更好的了。

但在大多數情況下，你必須購買激光雷達數據。激光雷達通常由直升機、飛機和無人機進行商業飛行。

從地面到空中，探索激光雷達系統的類型?

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.**小尺寸激光雷達** 是我們今天使用的。小腳印激光雷達掃描大約20度前后移動（掃描角度）。如果超過20度，激光雷達儀器可能會開始看到樹木的側面，而不是直線下降。

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.

激光雷達應用專業人員現在使用?

光探測和測距每天都被用于測量、林業、城市規劃等領域。下面是幾個最突出的激光雷達應用程序：

• 河岸生態學家 使用激光雷達來描繪流的順序。通過激光雷達衍生的DEM，支流變得清晰。比標準的航空攝影更容易看到它們的發展方向。

• 森林管理員 使用激光雷達更好地了解森林結構和樹的形狀，因為一個光脈沖可以有多個回報。與樹木一樣，激光雷達系統可以記錄從樹冠頂部開始，通過樹冠一直到地面的信息。

• 如果 谷歌的自動駕駛 汽車被警察攔下了，會有什么反應？自動駕駛汽車使用光探測和測距。谷歌自動駕駛汽車背后的之一個秘密是激光雷達掃描儀。它檢測行人、騎車人、停車標志和其他障礙物。

• 考古學家 使用激光雷達發現地面海拔的細微變化。當考古學家在植被上發現地面上的方形圖案時，有點驚訝。后來，他們發現這些方形圖案是古代瑪雅和埃及文明建造的古建筑和金字塔。

閱讀更多信息: 100 Earth-Shattering Remote Sensing Applications & Uses

激光雷達系統部件：分解?

光探測和測距系統是如何工作的？機載激光雷達有4個部分。激光雷達系統的這4個部分共同工作，產生高精度、可用的結果：

• 激光雷達傳感器 當飛機飛行時，從一邊到另一邊掃描地面。傳感器通常為綠色或近紅外波段。

• GPS接收機 跟蹤飛機的高度和位置。這些變量對于獲得準確的地形高程值很重要。

• 慣性測量單位（IMU） 跟蹤飛機飛行時的傾斜度。仰角計算使用傾斜來精確測量脈沖的入射角。

• 計算機（數據記錄器 ）當激光雷達掃描表面時，記錄所有高度信息。

這些激光雷達部件共同構成了一個光探測和測距系統。

回波存儲：全波形與離散激光雷達?

光探測和測距返回脈沖以兩種方式存儲：

• 全波形

• 離散激光雷達

全波激光雷達系統和離散激光雷達系統有什么區別？

想象一下，在森林里激光雷達脈沖多次被樹枝擊中。脈沖在之一、第二、第三次返回時返回。然后你會得到一個很大的脈沖光地面返回。

當您將數據記錄為單獨的返回時，將調用 離散返回激光雷達 。離散取每個峰值并分離每個返回。

光探測和測距正朝著全波形系統移動：

當你將整個返回記錄為一個連續波時，這將被稱為 全波形激光雷達 . 全波形數據更復雜。您可以簡單地計算峰值，這使得它是離散的。

你的激光雷達項目是什么？?

光探測和測距使用激光來測量森林、建筑物和裸地等地貌的海拔高度。

它類似于聲納（聲波）或雷達（無線電波），因為它發送脈沖并測量返回所需的時間。但是激光雷達與聲納和雷達不同，因為它使用光。同樣，激光雷達是一個活躍的遙感系統。

激光雷達的應用令人驚嘆。它肯定在GIS中增長。

例如，林業、考古學、土地利用測繪、洪水模擬、交通規劃、建筑、油氣勘探、公共安全、自動化車輛、軍事和保護利用激光雷達。如果激光雷達被集成到任何地方，我們都有一個鎳，那我們就是布魯斯·韋恩·里奇。

我們已經用這個激光雷達指南分解了光探測和測距。你現在可以認為自己是激光雷達大師了。

來源：開源地理空間基金會中文分會

來源鏈接：https://www.osgeo.cn/post/16f32

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