“激光雷达”专题 前言

    

    

海水在蓝绿光波段存在一个透过窗口,在该窗口内的可见光具有一定的海水穿透能力,机载双频激光雷达探测技术正是利用这个透过窗口,由空中平台向海水发射蓝绿波段激光,根据激光在海表和海底反射的时间差来测量海水的深度。 随着我国“海洋开发”和“一带一路”战略的实施,岸带和海岛礁测绘的重要性日益凸显,以机载双频激光雷达探测技术作为起点的激光遥感将会凭借其不可取代的优势,在海洋探测领域发挥更加重要的作用。

国产机载双频激光雷达探测技术研究进展

贺岩 胡善江 陈卫标 朱小磊 王永星 杨忠 朱霞 吕德亮 俞家勇 黄田程 习小环 瞿帅 姚斌

中国科学院上海光学精密机械研究所;中国科学院空间激光信息传输与探测技术实验室;上海大恒光学精密机械有限公司;中国科学院大学;南京大学中国南海研究协同创新中心;中国海监南海航空支队;杭州中科天维科技有限公司;山东科技大学测绘科学与工程学院;国家海洋局第二海洋研究所;中国科学院遥感与数字地球研究所;北京林业大学林学院

[摘要]机载双频激光雷达探测技术利用双波长激光实现海陆一体化测绘,从1969年至今,国际上已经形成了成熟的商业产品,应用于海洋、海岸带和岛礁的探测。中国科学院上海光学精密机械研究所从1998年开始,先后研发了三代机载双频激光雷达,完成了从原理样机阶段到产品样机阶段的转化。最新的Mapper5000系统在南海完成了11个架次的机载飞行试验,获得南海岛礁的三维地形数据,最大实测深度达到51 m,最浅水深达到0.25 m,测深精度为0.23 m,水平位置精度为0.26 m,海洋测点密度为1.1 m×1.1 m,陆地测点密度为0.25 m×0.25 m。

机载激光测深系统与船载移动测量系统数据配准方法研究

田茂义 王延存 俞家勇 贺岩 曹岳飞 吕德亮 胡善江 杨忠 朱霞 石先高

山东科技大学测绘科学与工程学院;中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室;青岛秀山移动测量有限公司;杭州中科天维科技有限公司;中国海监南海航空支队

[摘要]机载激光测深系统能够快速、高效地测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域,能够提供近岸全覆盖50 m水深测量;船载移动测量系统可以获得近岸浅海水底地形数据及近岸岛礁精细三维激光点云,二者数据在测量区域以及测量范围上具有一定的互补性。文中采用一种基于曲率特征点的改进迭代最近点(ICP)算法,将国产机载测深系统和船载移动测量系统获取的机载激光测深数据、多波束数据、三维激光扫描数据进行配准融合。结果表明,通过将二者数据进行配准融合,可以实现陆地、浅海区域海陆地形的全面精准描述、海陆基准统一,有助于海岛礁地形地貌认识、水下目标物探测及发现等。

决策树约束的建筑点云提取方法

雷钊 习晓环 王成 王濮 王永星 尹国清

中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室;中国科学院大学;南京大学中国南海协同创新中心;中国海监南海航空支队

[摘要]作为城市主体,建筑物信息的提取一直是国内外学者研究的热点。针对目前机载激光点云数据量大、建筑点云提取不完整等难题,提出一种面向对象构建决策树的建筑点云高精度提取方法。决策树可以同时处理多种数据属性,并且对缺失值不敏感,利用点云中每个对象属性与对应各个特征值之间的映射关系,结合每个激光脚点与其邻域关系、高程均值等特征,为决策树每个内部节点生成建筑物点的判定条件,然后比较所有分类特征对应的点集不确定性(熵),确定最优特征及最优候选值,有监督地从样本数据中学习得到正确的分类器,进而完成待处理点云中建筑物点的高精度提取。实验结果表明,本文方法能够从机载激光点云数据中有效提取建筑物点,准确率可达96%。

机载激光雷达用高重复频率亚纳秒双波长全固态激光器(封面文章)

陆俊 丁建永 贺岩 于广礼 杨彬 姚红权 周军

南京先进激光技术研究院;中国科学院上海光学精密机械研究所;

[摘要]研究了晶体材料、腔长、抽运功率等对调Q脉冲宽度的影响,研制了一台基于Nd∶YVO4晶体的高效率、结构紧凑的双波长激光器。该激光系统采用主振荡功率放大(MOPA)结构,振荡级产生重复频率为5 kHz、脉冲能量为400 μJ、脉冲宽度为1.1 ns的1064 nm基横模激光,通过878.6 nm零线抽运的Nd∶YVO4级联放大器,脉冲能量和脉冲宽度变为2.72 mJ和1.03 ns;通过三硼酸锂(LBO)晶体腔外倍频,获得了脉冲能量为1.54 mJ,倍频效率大于56%,激光脉冲宽度小于910 ps,峰值功率为1.7 MW的532 nm绿光激光输出。

机载激光雷达单木识别研究进展

刘会玲 张晓丽 张莹 朱云峰 刘辉 王龙阳

北京林业大学林学院;北京林业大学精准林业北京市重点实验室;北京林业大学省部共建培育与保护重点实验室;中国海监南海航空支队;北京鼎创力维科技有限公

[摘要]随着激光雷达的发展,基于机载激光雷达提取单木及林分参数是目前的研究热点之一。准确的单木识别是后续林木参数提取的重要基础。机载激光雷达单木识别方法可以分为基于冠层高度模型(CHM)的单木识别法和基于点云分布的单木识别法两类。基于CHM的单木识别方法通过CHM分割确定树冠边界或通过局部最大值识别树冠顶点并且进行区域生长或图像分割。基于点云分布的单木识别法在三维空间上采用区域生长或聚类算法识别树冠。分析不同方法在单木识别中的优缺点,对比不同单木识别法对单木识别精度、欠分割误差、过分割误差的影响。分析数据类型、点云密度、季节和林木生长状况等多个影响识别精度的因素,分析可得全波形数据优于离散回波识别精度,点云数据密度10 pt/m2即可满足单木识别要求,冬季识别精度优于夏季识别精度。探讨机载激光雷达数据的局限性及其在单木识别中的缺陷,从数据获取时间、获取方式及类型、数据组织管理、多源数据融合、多种识别算法综合应用、机器学习增加训练集寻找最优模型等方面展望了未来单木识别的发展方向,拓宽我国森林资源调查及相关领域的研究思路。

机载双频激光雷达结构误差与定位精度研究

吕德亮 贺岩 俞家勇 陈丽明 王永星 刘辉

杭州中科天维科技有限公司;中国科学院上海光学精密机械研究所;山东科技大学测绘科学与工程学院;中科光绘(上海)科技有限公司;中国海监南海航空支队;南京大学中国南海研究协同创新中心

[摘要]针对机载双频激光雷达特有的卵形扫描结构,着重分析了结构中会对系统定位精度产生影响的误差源,主要包括电机转轴与编码器安装产生的偏心误差、卵形扫描镜安装误差和光学调整误差;提出了机载双频激光雷达的误差模型,并依据该模型定量分析了各种误差对机载双频雷达定位精度的影响。研究表明,上述误差均会对系统的定位精度产生较大影响,且对扫描线上的每个点产生的影响各不相同,多种误差耦合后难以通过建立系统整机矫正模型予以修正,因此在激光雷达的结构设计、器件选型、结构加工和系统装调等各个环节要控制误差的引入,并在装配过程中量化误差大小以便后期进行误差矫正,减弱和消除这些系统误差对于提高机载双频激光雷达系统的定位精度有着重要的影响。

国产机载双频激光雷达对地定位精度评价

田茂义 曹岳飞 俞家勇 贺岩 王延存 王永星 赵远超

山东科技大学测绘科学与工程学院;青岛秀山移动测量有限公司;中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室;南京大学中国南海研究协同创新中心;中国海监南海航空支队

[摘要]从国产机载双频激光雷达系统对地定位模型出发,分析对定位精度产生影响的各个因素,应用误差传播理论,推导该系统对地定位的综合误差模型。根据系统各传感器参数,对系统的理论定位精度进行仿真计算。对比分析机载雷达对地定位精度评定方法,设计了基于平面特征的对地定位精度评定方法,利用评定场飞行数据及高精度控制数据进行精度评价,结果表明,系统精度达到设计要求,评价方法简单可行。

国产机载激光雷达测深系统的波形处理方法

黄田程 陶邦一 贺岩 胡善江 俞家勇 李强 朱云峰 尹国清 黄海清 朱乾坤 龚芳

国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室;中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室;山东科技大学测绘科学与工程学院;中国海监南海航空支队;

[摘要]综合了已有的机载激光雷达测深系统的波形处理方法。基于国产多通道海洋激光雷达波形数据的多通道优势,运用去卷积、数值拟合和信号滤波等波形处理方法,针对不同类型的波形,提出了一套适用于国产硬件的波形处理方法。该方法可保证回波位置提取的稳健性。

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