激光扫描 - 原理和应用
摘要：
本文主要介绍了激光扫描系统的原理，主要包括对不同范围测量原理的调查以及不同机制的发射激光束偏转。此外还讨论了在不同平台机载（ALS）、地面（TLS）、以及（卫星）上使用激光扫描（LS）原理。另外介绍了当前市场传感器系统的典型传感器参数。除以上之外，还引入了全波形LS技术，并提出了基于ALS数据的地理参考，提高了系统精度，讨论LS数据在不同应用中的使用。
关键词： 激光扫描，范围测量，激光雷达
介绍
在过去的几年中，目标获取的自动重建方法变得越来越重要。除了自动图像匹配之外，激光扫描（通常也称为LiDAR（光检测和测距））彻底改变了地形和近距离物体的3D数据采集。与“经典”手动数据采集技术（如地面测量和分析摄影测量技术）相比，这些技术需要手动解释以获得感测物体的表示，这些新的自动记录方法允许在短时间内自动密集采样物体表面。
激光扫描是一种先进的数据采集方法，自20世纪90年代中期以来发展迅速。它适用于低于1m3的测量体积，直至数百和数千km2的面积。从某种意义上说，它完全属于光学对称范围。
摄影图像记录被摄像机视野中的物体反向散射的被动光或人造辐射。反向散射强度通常i）在空间上通过图像平面中的像素来表现，ii）通过在不同波长带中记录的色度，以及iii）通过用典型的8到12比特量化光电流来进行辐射测量。如稍后将详细描述的，激光扫描通过在整个视场上借助于机械装置（例如移动镜）扫描瞬时视场来实现空间分辨率。关于色彩方面，差异更大。反向散射仅记录一个波长，即单色。此外，非被动辐射用于测量，但传感器系统发出的激光能量的反向散射本身。然而，最显着的差异是测量激光束发射与其反向散射回波检测之间的时间滞后。利用光的群体速度，大气中的光速，时间差可以转换到发射器和探测器之间的范围。激光束的照片和记录的回波都受到环境光的影响 - 在很小程度上 - 即能量不是来自特定感测物体的位置而是杂散光。照片记录纹理和颜色，激光扫描测量主要是范围，但也是单色反射。然而，在这两种情况下，数据都是以系统方式逐区获得的。记录电磁辐射，通过生成目标空间图像的映射（ping），是两者的基础。在这样的图像中，可以自动或手动执行测量。
本文将首先讨论激光扫描中使用的不同范围测量原理。这将通过光束偏转机制的概述得到增强。还列出了当前可用系统的典型参数。下一部分专门讨论激光扫描仪设备的外部方向。最后，介绍了机载和地面激光扫描系统的许多应用，包括数据处理方面。
激光扫描原理
根据Bouml;hler和Marbs（2002）的定义，激光扫描仪使用激光以系统模式测量从传感器到物体的距离。距离测量方面，即测距，依赖于激光来执行测量（第2.1节）。通过在不同方向上偏转强准直激光能量（即光束），以一种模式获取距离测量本身（第2,2节）。
激光测距
可以使用不同的原理来测量传感器系统和目标之间的距离。它们的精度不同，但它们都有一定范围的包络线。可以使用脉冲往返时间测量原理探测最大范围，获得cm精度。使用基于相位的测量技术，可以更快，更准确地测量更短的距离，例如高达100米。通过三角测量，可以以更高的精度测量更短的距离，例如高达2米，例如精度优于plusmn;1mm。Rueger（1990）给出了关于距离测量的简要概述。激光雷达（无线电探测和测距）在Jelalian（1991）中得到了广泛的治疗。下面将以“脉冲往返”为例详细介绍不同的测距原理，
脉冲往返时间
对于脉冲往返测量，通常使用固态或半导体激光器发射激光能量脉冲。该脉冲通常具有几纳秒的持续时间，最常用于脉冲的FWHM（半峰全宽）。脉冲持续时间为5ns对应于1.5m的长度，因为光速约为3times;108ms-1。通常假设脉冲具有高斯形状，这比矩形脉冲形状更真实（参见图1，中间）。脉冲不仅在时间上分布，而且在垂直于传播方向的空间中分布。同样，能量分布通常假定为圆形对称高斯型，并且光束直径由能量下降到1 / e2（或1 / e，取决于使用的定义）的点给出。最大能量。然而，已经评论了椭圆高斯和更不规则的能量分布（Abshire，2005），而Jutzi和Stilla（2006）报告了横向能量分布更多地对应于函数的实验，即具有从最大值开始的阶梯边缘的圆对称能量分布。零能量。光束直径随着距传感器的距离而扩大，距离较远发射器，直径为gamma;.r，其中r是范围，gamma;是所谓的光束发散。由于光的衍射引起的限制，gamma;的值不能任意地变小（Young，2000）。
图1 - 左：脉冲激光测距仪的原理。中间：由Raggl LMS-Q560激光扫描仪发射的脉冲形状，来自Wagner等人（2006）。右图：来自Van Duong等人（2006）的GLAS（卫星ICESat上的地球科学激光高度计系统）在森林上发射的激光脉冲的反向散射和记录回波，两个图像中的水平轴显示为纳秒
发射的光束穿过大气层并沿着其路径与物体相互作用。发生原子，分子和气溶胶的反射和吸收，并检测它们的反向散射引起大气的激光遥感（Weitkamp，2006），这里不会对其进行处理。对于摄影测量中的应用，与目标作为自然和人造表面的相互作用是令人感兴趣的。能量包可以被吸收或反射。如果它被反射，它可以反射镜面反射，即镜面反射，或漫反射，例如朗伯反射器，或所有的混合物（Rees，2001）。从反射表面到传感器系统向后传播相同路径的反向散射能量由包括窄滤光器和avalange光电二极管的系统检测。在发射光束时，计时器启动并在收到回声后停止（图1，左）。如果时间间隔是#39;t，并且沿着从传感器到物体的路径的光的平均群速度是cg，则是该范围
也可以记录反向散射的强度，从而产生所谓的“强度”值，其作为数字数给出。然而，通常它与反向散射的最大或平均功率成比例或至少增长。
不一定是整个光束仅从一个表面散射回来的情况。在植被中，例如在建筑边缘等处，能量的一部分被更早地反射，从而产生第一回波。在植被中，这通常发生在树冠上。部分能量可以在中间高度反射，所谓的第二，第三等回声，并且在探测器处接收的最后一个能量包被称为“最后回声”。在空中作战中，最后的回声不一定对应于地面，甚至不是植被，因为所有能量可能在到达之前被反向散射。
在开放区域中，仅检测到一个回波，在桥的边缘处，可以检测到两个回波，并且可以在植被中检测到第一个，最后一个和中间回波。为了分离这些回波，它们的空间距离必须大于脉冲宽度。理论下限由脉冲长度的一半给出，对应于之前给出的因子1/2。
每秒发射的脉冲数，即脉冲重复率（PRR），对于机载操作目前为200000，即PRR = 200kHz，对于地面操作，大约低十倍。脉冲速率越高，发射的能量越低，将上限设定为要测量的最大范围。大多数系统都有一个额外的最大范围，在这个范围内它们可以运行，由cg /（2.PRR）给出，也就是说，只有一个脉冲可以同时穿过空气。并非所有宣传的系统都会失败但是在那个限制下。
到目前为止，已经描述了离散返回系统。从返回的回波中提取并存储范围。先进的系统记录了回波的回波波形，即信号功率随时间的变化（图1，右，Van Duong等，2006）。利用这些完整的波形系统，可以提取更多信息。首先，可以使用不同的回波检测算法来分析后处理中的信号（Jutzi和Stilla，2005）。有可能溶解两个比脉冲长度的一半更靠近的回波，但应用比电子分析更强大的算法。另外，可以计算每个目标的横截面，即产生回波的每个表面（Wagner等人，2006）。横截面基本上是目标反射率和空间范围的乘积。
测距精度主要取决于时间测量精度和检测反向散射回波的精度。在有利的情况下，可以实现cm精度，但是对于大于1km的距离，测距精度相当于几厘米的量级。通过多次重复测量可以实现精度的提高。随着信噪比的提高，可以通过增加发射功率来实现范围和精度的增加。然而，系统误差阻止了这种技术达到任意高精度。在空中操作中，激光扫描仪可以达到三公里甚至五公里。在NASA（Bufton，1989）进行的实验中，成功进行了20公里高度的测量。目前ICESat正在绕地球轨道运行，对地球表面进行最低点测量范围测量。由于眼睛安全问题，地面系统通常具有较低的最大范围。
迄今为止，几乎没有使用通过激光扫描测量记录的“强度”值。它们受到许多影响，例如扩散损耗，表面粗糙度，物体反射率和大气衰减。因此，它们主要用于可视化目的（图2）。Wagner等（2006）和Houml;fle和Pfeifer（2007）描述了这些测量的标准化。期望这些标准化值适用于分类目的。
图2 - 显示记录的强度值的一个（部分）机载激光扫描条的示例。数据由EuroSDR提供
相移测量
使用相移测量原理可以获得更高的精度，在毫米的范围内，以及更高的测量速率。c / w（连续波）激光器用作调制到其上的信号的载体，通常使用幅度调制。比较发射和接收信号的相位。相位差#39;，以弧度给出的M和单向范围之间的关系是：
其中O是以米为单位的波长，n是传感器系统和反射物体表面之间未知的全波长数。选择例如O = 100m意味着存在50m的独特测量范围。对距离较远的物体的所有测量将折叠成第一个50米的间隔。测量精度约为相位的百分之一，甚至可以更好。使用上面的值可以得到plusmn;50cm的测量精度。这个问题可以通过使用一个以上的调制波长来解决，即两个或三个波长（图3）。然后，最长波长定义唯一性范围，最短波长定义可获得的精度。
图3 - 基于相位的激光测距的两个调制波长和载波的示意图
由于范围限制，这种测量系统主要用于地面激光扫描仪，但在（Hug和Wehr，1997）中也证明了在空中操作中的使用。目前的系统提供500kHz甚至更高的测量速率。精度约为plusmn;1mm。因此，脉冲往返时间扫描仪和基于相位的差异测量扫描仪之间的地面扫描仪的差异是：“脉冲往返”的更高范围和更高的测量速度以及“基于相位的”激光扫描仪的更高精度。对于基于相位的范围，总是测量一次返回，与脉冲往返范围相反。如果光束由于其直径而照射到空间上不同的物体，则返回信号是连续波，回波的叠加。
三角
为了通过激光扫描获得更高的精度，范围不是直接确定的，而是通过角度测量确定的。在三角测量激光扫描仪中，激光能量被加宽以形成平面而不是光束。在旋转镜子的帮助下，这个平面扫过物体空间。对于平面的一个位置，即镜子的一个角度，该平面与物体空间中的表面的交点产生一条曲线或多条曲线。同时，物体空间通过透镜成像到图像平面上。图像覆盖整个场景，但只有曲线才有意义。例如，可以通过计算两个图像的差异图像来提取它。第一幅图像是没有激光平面的场景。第二个图像包含“激光”曲线。图像平面中的曲线形成一束光线，将曲线图与投影中心连接起来。该束与激光能量平面的交点产生物体空间中的点的位置。
这种扫描方法的深度受到限制，因为截面的质量随着范围而降低。由于实际原因，基础，即从发射器到相机的距离不能太大。因此，这种类型的扫描仪被限制在一米或几米的范围内。精度通常为plusmn;1毫米。所描述的方法一次不测量一个点，而是测量感兴趣目标上沿“激光”曲线的一系列点。几秒钟后，可以扫描整个视野。除其他因素外，点数取决于相机的分辨率。使用标准VGA分辨率，每次扫描可产生大约250000个点。
扫描
在脉冲往返和基于相位的测距中，每次测量仅测量一个点，不包括暂时多次返回的可能性。因此，在视场上扫描激光束。为此使用了不同的扫描机制（图4）。
图4 - 扫描原理（选择）左：旋转镜，中间：摆动镜，右（来自Lapytov，2005）：多面镜
一种可能性是使用旋转镜，其与投射到镜子上的光束倾斜45°。根据电流镜角度，光束偏转90°到不同的方向。镜子的一次完整旋转导致光束在垂直于发射的激光束的平面中偏转成360°光束。多面镜可用于将激光束偏转成较小的角度间隔。不同的构造原则是可能的。可以使用金字塔镜，其中金字塔轴平行于发射的激光束。另一种选择是使用常规棱镜，侧面是镜子，其中棱镜轴与发射光束垂直。这些扫描仪产生的点图案在激光器在平面上拍摄时产生一条点线。
振荡镜还扫描受限制的角度场。如果可以通过某种方式控制转折点，则其优点在于视场可以适应应用要求。另一方面，与旋转镜相比，镜子必须在转折点加速并停止。这种扫描仪产生锯齿形图案。
一种特殊的系统就是所谓的光纤扫描仪（TopoSys，2007）。将激光照射到章动镜上，镜子的旋转和脉冲的发射以这样的方式定时，即每个反射被小光学器件“捕获”，将激光引导到光纤中然后弯曲，使得（128）纤维束均匀地分布在角视场上。
上述原理使激光束在一个平面内偏转。使用章动镜，即具有与入射激光束不同45°的表面的镜子，产生反射光线的锥形图案。
通常，不仅需要一维扫描，这可以通过应用上述原理之一来实现。为了实现二维扫描，可以使用两种方法。首先，可以使用两个移动镜。对于地面激光扫描，这导致所谓的窗口扫描仪，例如具有40°times;40°的视场。其次，一个移动镜可以与平台的移动耦合。在机载激光扫描中，这通过飞行器的向前运动来实现。这同样适用于从移动的汽车或船上扫描。在静态地面激光扫描中，这可以通过旋转扫描头来实现，从而产生所谓的全景扫描仪，其具有360°times;80°的视场。如果旋转了扫描头与旋转镜耦合，旋转镜扫描平面内的所有方向（描述的第一个原理），扫描仪称为半球形。
镜子的方向可以通过角度编码器测量。通常选择测量精度以适合使用相应激光扫描仪获得的典型范围的测距精度。
现有系统
激光扫描，机载和地面技术发展迅速。因此，不适合描述不同供应商的特定扫描仪，因为在打印文章时，信息可能已经过时。因此，对于直接测量范围的不同激光扫描仪，应给出一些平均性能数据1。给出的值取决于不同供应商的最佳产品。三角测量扫描仪的市场甚至更大，其性能特征仅限于上述陈述。
机载激光扫描仪几乎只使用往返时间测量进行测距（Rie
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