LiDAR测量原理

• LiDAR测量原理
  • 引言
  • 扫描原理
  • 测量原理
  • 辐射
  • 应用
  • 参考

LiDAR测量原理

引言

在摄影测量中，有很多文档对于相机的原理的进行分析，但是对于LiDAR的测量原理分析的并不多。可能的原因是，在实际测量的过程中，对于LiDAR的测量数据，处理时都已经是点云了，因此不太关注它的原理。

同时，有一点值得说明的是，在技术原理上LiDAR与RADAR上有许多相似的地方，这是值得思考的地方。

不过对于多源数据处理，或想通过在几何上处理的(例如ray tracing)，了解原理还是很重要的。

《Airborne and Terrestrial Laser Scanning》by George Vosselman, Hans-Gerd Maas 的第一章就是介绍原理的。

LiDAR很早之前就用于水下测量(bathymetry)，主要是(蓝)绿色波段(532 nm)，具有更强的能量。

https://www.britannica.com/science/color/The-visible-spectrum

下面的内容主要围绕近红外(～1064 nm)LiDAR进行展开讨论。

从原理上讲，主要有两种方式：Time-of-flight 与Phase based method ：

https://www.laserscanning-europe.com/en/servicesdevices/terrestrial-laser-scanners

Forward-looking infrared(FLIR) 是一种被动的红外摄影相机，目前应用遥感与车载等。

从1960年开始，LiDAR应用在测量中，目前有卫星LiDAR(IceSat)

https://icesat-2.gsfc.nasa.gov/science/data-products

机载LiDAR，UVA(无人机)LiDAR，车载LiDAR，Terrestrial (total station or static) LiDAR与室内LiDAR等，下面主要对机载LiDAR进行说明。

扫描原理

由于在处理LiDAR点云的过程中，一直处理的是LiDAR坐标信息，以为LiDAR大都是线阵扫描的，实际上还有很多是圆形扫描的，比如Leica TerrainMapper。扫描方式与镜面的旋转方式有关，对于获得的点云来说，会影响到点云的密度，扫描的角度的大小等。

扫描方式有：zigzag扫描，线性扫描，圆形扫描，Terrestrial LiDAR 扫描等。

zigzag扫描应该是较早商业化的设备，优点是设计简单，可以适应各种设置，但是缺点是会造成密度不均匀。

线性扫描用一个旋转的棱柱实现线性扫描，比zigzag扫描方式相比，点云的密度是均匀的，这个应该是目商业化设备比较多的，目前接触的数据大多是这一类的。

圆形扫描刚开始有点奇怪，仔细思考了之后，优点是方便建筑物的墙壁。

Terrestrial LiDAR 扫描是因为扫描仪是不动的，所以有垂直扫描与水平扫描。

测量原理

对于LiDAR来说，测量是用的Time-of-flight， 根据光速和返回时间可以进行测量，目前获得的数据有：2D LiDAR 距离数据加上角度信息，多次回波，全波段LiDAR等。

目前大部分机载LiDAR数据都是LAS格式，是多次回波数据，当然还有全波段数据。

辐射

LiDAR数据的辐射指的强度值(intensity)，辐射是用的比较多的，但是但是由于LiDAR是主动传感器，因此生成的影像和传统影像有一些区别。辐射矫正这块貌似做的人挺少的，貌似硬件也没有辐射矫正。同时也说明在辐射这块也有很多可以做的地方。

## 精度

应用

由于LiDAR设备和应用已经有很多了，里面也有很多没有展开说明的地方，欢迎提修改意见，最后，如有不对的地方，请批评指正。

参考

https://www.linkedin.com/posts/uwebacher_mapping-lidar-photogrammetry-activity-7159227027311448065-bIEt/?utm_source=share&utm_medium=member_desktop

https://www.linkedin.com/posts/uwebacher_citymapper2-dmc4-contentmapper-activity-7162889902618013696-zRbi/?utm_source=share&utm_medium=member_desktop

https://www.linkedin.com/posts/uwebacher_lidar-mapping-photogrammetry-activity-7165704865640386560-I0ov/?utm_source=share&utm_medium=member_desktop

https://www.linkedin.com/posts/uwebacher_lidar-terrainmapper3-activity-7171197600547684352-HzR5/