CN116660869A - 一种林业测绘用激光雷达系统 - Google Patents

一种林业测绘用激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种林业测绘用激光雷达系统，包括空中测量平台、数字化激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机、数据处理软件，所述空中测量平台是系统进行林业测绘的空间载体和操作平台，可以为无人机或直升机，用于装载系统扫描所需的仪器设备，所述姿态测量和导航系统包括GPS接收机、IMU惯性制导仪、导航计算机，所述数字化激光扫描仪测量林业区地貌以及林业相关数据，所述数码相机拍摄的航片宽度与激光扫描宽度相匹配，所述航片经过纠正可以形成彩色正射数字影响。本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明探测性能更好，林业测绘数据更加全面。

Description

一种林业测绘用激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体是一种林业测绘用激光雷达系统。
背景技术
测绘字面理解为测量和绘图，是以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、空间科学、信息科学为基础，以全球导航卫星定位系统(GNSS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)为技术核心，选取地面已有的特征点和界线并通过测量手段获得反映地面现状的图形和位置及其相关信息，供工程建设、规划设计和行政管理之用，林业测绘为森林调查、管理现状及其评价等提供图件或数据资料的测量工作。
激光雷达原本用于测绘，随着其技术工艺不断进步，成本逐渐降低，应用范围开始逐步扩大。现阶段，激光雷达的下游应用市场主要包括自动驾驶、辅助驾驶、AGV的导航与防撞、服务机器人、工业测绘、资源勘探等领域。从技术原理分，主要有三角法激光雷达、TOF(TimeOfFlight，飞行时间)系列激光雷达、相位法激光雷达三种。TOF激光雷达目前是主流，机械旋转式和固态激光雷达中的大多数都属于此列。它通过计算激光光源到被测物体的飞行时间来进行测距。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是克服以上的技术缺陷，提供一种林业测绘用激光雷达系统，优点在于探测性能更好，林业测绘数据更加全面。
为了解决上述问题，本发明的技术方案为：包括空中测量平台、数字化激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机、数据处理软件，所述空中测量平台是系统进行林业测绘的空间载体和操作平台，可以为无人机或直升机，用于装载系统扫描所需的仪器设备，所述姿态测量和导航系统包括GPS接收机、IMU惯性制导仪、导航计算机，所述数字化激光扫描仪测量林业区地貌以及林业相关数据，所述数码相机拍摄的航片宽度与激光扫描宽度相匹配，所述航片经过纠正可以形成彩色正射数字影响。
进一步，所述GPS接收机采用差分定位技术确定平台坐标，所述IMU惯性制导仪测量航飞平台姿态，所述IMU惯性制导仪用于对发射激光束矫正以及地面图像的纠正。
进一步，所述激光系统包括激光源、激光发射器、透镜、激光接收器、光源探测器、信息处理器，激光接收器包括滤波器、衰减片、SPAD阵列、以及与SPAD相配合使用的温控模块、升压电路、淬灭电路以及信号提取模块。
进一步，所述信号发生器产生信号触发激光发射器发射波长为905nm或1550nm的激光，激光发射后，经过透镜，照射到林业区目标树木上，目标树木可以看做是朗伯体，即是漫反射的，反射过后的回波信号经过窄带滤波，再经过衰减片后，回波信号照射到SPAD上。
进一步，所述数据采集过程为：(1)在航飞前要制订飞行计划；(2)安置GPS接收机；(3)激光扫描测量；(4)惯性测量；(5)数码相机拍摄(6)数据传输。
进一步，所述原始激光数据包括单木分割、树高估测、树面积指数、郁闭度估计、林分密度估测。
进一步，所述所述在激光雷达系统所获取到的点云数据足以识别出林分中的单木时，系统会根据林木种类的不同，采用不同的单木分割算法，对林分中的激光反射点进行有效点云数据分割；采用数据处理软件对激光扫描仪所发射的高频脉冲接触到树冠顶部和地面反射后所获取到的高程数据差进行计算分析，进而获取到树木的实际树高；激光雷达系统会通过LAI(多种卫星遥感数据反演叶面积指数)反演，即通过激光扫描仪获取树木冠层物理常数信息与实测LAl指数数据来构建统计关系模型，进而根据模型对树木叶面积指数进行估测计算；激光雷达系统会根据识别数据形成树冠高程模型，并以此为基础合理选择变化窗口在区域范围内进行最大值求解，将此过程中所获取到的最大值作为树冠顶部。
进一步，数据经过处理后可以获得DSM、DEM成果，配合数码相机可以同时获得DOM成果及三维模型；
所述DEM为数字高程模型，通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的，DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据；
所述DSM为数字表面模型DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程；
所述DOM利用数字高程模型DEM对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌，并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集
本发明与现有的技术相比的优点在于：本发明通过在激光接收器包括滤波器、衰减片、SPAD阵列、以及与SPAD相配合使用的温控模块、升压电路、淬灭电路以及信号提取模块，可以提高系统探测性能；可以测绘多种林业数据包括单木分割、树高估测、树面积指数、郁闭度估计、林分密度估测。
附图说明
图1为本发明一种林业测绘用激光雷达系统的组成结构图。
图2为本发明一种林业测绘用激光雷达系统的激光系统图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明为一种林业测绘用激光雷达系统，包括空中测量平台、数字化激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机、数据处理软件，空中测量平台是航空激光扫描测量系统进行作业的空间载体和操作平台，主要为无人机、直升飞机或其它飞机，用来装载航空激光扫描测量系统所需要的各种仪器仪表和操作人员。
GPS接收机、IMU惯性制导仪、导航计算机构成了姿态测量和导航系统，GPS接收机采用差分定位技术确定平台的坐标，IMU惯性制导衣浏宣航飞平合的姿态，用子对发射激光束角度的校正以及地面图像的纠正，GPS接收机可为飞机提供导航，应能用图文方式向飞行员和系统操作员提供飞机现在的状态，即飞机现在离任务航线起点终点的距离、航线横向偏差、飞行速度、航线偏离方问、航线在测区中的位置，系统应能处理区域测量也能处理带状测量。
数字化激光扫描仪是本系统的核心部分，它主要用来测量地物地貌的三维空间坐标信息。
数码相机拍摄的航片宽度应该调节到与激光扫描宽度相匹配，航片经过纠正、镶嵌可形成彩色正射数字影像。
激光扫描系统获取的数据量非常庞大，由特殊的专业软件来处理。
激光系统包括激光源、激光发射器、透镜、激光接收器、光源探测器、信息处理器，激光接收器包括滤波器、衰减片、SPAD阵列、以及与SPAD相配合使用的温控模块、升压电路、淬灭电路以及信号提取模块。
信号发生器产生信号触发激光发射器发射波长为905nm或1550nm的激光(850nm的激光雷达主要用于近距，而传统的激光雷达主要以905nm波长为主，该波长激光器件相对成熟，但可能对人眼有危害，1550nm波长较之，对于人眼安全提高40倍，除此之外，905nm波长的激光优势多多，例如成本低，技术成熟等)，激光发射后，经过透镜，照射到目标物体上。目标物体可以看做是朗伯体，即是漫反射的。
反射过后的回波信号经过窄带滤波，再经过衰减片(衰减片的透过率直接影响激光雷达的探测性能)。经过衰减片后，回波信号照射到SPAD上，此时SPAD工作在盖革模式下时，单个光子即可触发雪崩，雪崩电流极剧增大，由于连续大电流会使得APD器件发热，时间过长可能会损坏器件；更重要的是，APD工作在盖革模式下时，自持性雪崩过程无法自动结束，导致系统无法进行下一轮的接收过程。因此，需要进行淬灭，从而终止雪崩，提高APD接收速率，淬灭电路主要包括被动淬灭、主动淬灭和门控淬灭，被动淬灭主要是利用电阻分压，从而使得电压降低，使其退出雪崩状态。主动淬灭主要是通过反馈电路主动降低反向偏置电压，从而退出雪崩，门控淬灭，则是保持发射器和探测器的二者的频率相同，同时保证光子到来时探测器处于盖革模式下，光子不应该来的时候处于截止状态，该淬灭方式降低了暗计数，经过淬灭后，SPAD退出雪崩状态，经过升压电路升压后，再次工作在盖革模式下，即可再次接收，升压的这段时间无法接收，称为死时间，死时间的长度对激光雷达的性能有较大影响。
数据采集过程为(1)在航飞前要制订飞行计划，航飞计划应包括航带划分，确定飞行高度、速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素及定位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入导航讦算机芮，在飞行导航控制软件的辅助下进行飞行作业，(2)安置GPS接收机，为保证飞机飞行各时刻的三维坐标数据的精度，需要在地面沿航线布设一定数量的GPS基准站，同时将GPS流动站安置在飞机上，(3)激光扫描测量，预先设置好扫描镜的摆动方向和摆动角度，当飞机飞行时，红外激光发生器向扫描镜上不停地发射激光，通过飞机的运动和扫描镜的运动反射，使激光束打到地面并覆盖测区，当激光束到达地面或遇到其它障碍物时被反射回来，被一光电接收感应器接收并将其转换成电信号，粮据激光发射至接收的时间间隔即可精确测出传感器至地面的距离，(4)惯性测量，当飞机飞行时，惯性测量装置同时也将飞机的飞行姿态测出来，并和激光的有关数据、扫描镜的扫描角度一起记录在磁带上，(5)数码相机拍摄，利用数码相机进行拍摄时，需要对其拍摄时间间隔和拍摄位置进行控制，通常是用GPS系统进行时间和位置控制，(6)数据传输，航飞数据采集结束后，将所有的激光扫描测量数据、数码影像数据、GPS数据及惯性测量数据都传输到计算机中，为后续数据处理作准备。
数据包括
单木分割：在无人机载激光雷达系统所获取到的点云数据足以识别出林分中的单木时，系统会根据林木种类的不同，采用不同的单木分割算法，对林分中的激光反射点进行有效点云数据分割，在完成点云数据精准分割后，采用数据分析软件进行分析处理，获取到林分中单木的树高、树冠、胸径等一系列数据信息，以冠层高度模型为基础，采用分水岭分割算法，将林分高点视作“山峰”，低点视作“山谷”，通过“水”对“山谷”进行填充，随着“水”填充量的额持续增加，不同山谷内的“水”也将会持续汇合，在汇合点出设置屏障，此片屏障便是分割结果，在完成分割后，对单木进行自上而下分析，构建三维立体模型，获取单木的水平分布及垂直分布信息。
树高估测：采用数据处理软件对激光扫描仪所发射的高频脉冲接触到树冠顶部和地面反射后所获取到的高程数据差进行计算分析，进而获取到树木的实际树高。树木树高作为林业资源调查的重要参数之一，其将会直接影响树木的质量和材积，在实际树高测量中，激光雷达系统所获取到树高估测数据主要分为样地水平和单木水平2种估测数据，其中样地水平估测数据还分为直接提取数据和间接提取数据，直接提取数据指通过直接数据获取的方式采集树冠顶部到地面的相对高度数据，间接提取数据则是通过构建树木冠层高度数据与激光雷达系统提取变量之间的相互关系来间接预估树木高度数据。
叶面积作为树木冠层结构的基本参数之一，其通常被定义为单位地面标记上所有叶片表面积的一半，在具体测量过程中，激光雷达系统会通过LAI(多种卫星遥感数据反演叶面积指数)反演，即通过激光扫描仪获取树木冠层物理常数信息与实测LAl指数数据来构建统计关系模型，进而根据模型对树木叶面积指数进行估测计算。
郁闭度估计：林木郁闭度指林木冠层的垂直投影占林地面积的比值，激光雷达系统所获取到的非地面反射点数星进行分析计算便可以得到林分中林木郁闭度。
林分密度估测：激光雷达系统会根据识别数据形成树冠高程模型，并以此为基础合理选择变化窗口在区域范围内进行最大值求解，将此过程中所获取到的最大值作为树冠顶部。
数据经过处理后可以获得DSM、DEM成果，配合数码相机可以同时获得DOM成果及三维模型；DEM为数字高程模型，通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的，DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据；DSM为数字表面模型DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程；DOM利用数字高程模型DEM对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌，并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：包括空中测量平台、数字化激光扫描仪、姿态测量和导航系统、数码相机、数据处理软件；
所述空中测量平台是系统进行林业测绘的空间载体和操作平台，可以为无人机或直升机，用于装载系统扫描所需的仪器设备，所述姿态测量和导航系统包括GPS接收机、IMU惯性制导仪、导航计算机，所述数字化激光扫描仪测量林业区地貌以及林业相关数据，所述数码相机拍摄的航片宽度与激光扫描宽度相匹配，所述航片经过纠正可以形成彩色正射数字影响。
2.根据权利要求1所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述GPS接收机采用差分定位技术确定平台坐标，所述IMU惯性制导仪测量航飞平台姿态，所述IMU惯性制导仪用于对发射激光束矫正以及地面图像的纠正。
3.根据权利要求1所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述激光系统包括激光源、激光发射器、透镜、激光接收器、光源探测器、信息处理器，激光接收器包括滤波器、衰减片、SPAD阵列、以及与SPAD相配合使用的温控模块、升压电路、淬灭电路以及信号提取模块。
4.根据权利要求3所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述信号发生器产生信号触发激光发射器发射波长为905nm或1550nm的激光，激光发射后，经过透镜，照射到林业区目标树木上，目标树木可以看做是朗伯体，即是漫反射的，反射过后的回波信号经过窄带滤波，再经过衰减片后，回波信号照射到SPAD上。
5.根据权利要求1所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述数据采集过程为：(1)在航飞前要制订飞行计划；(2)安置GPS接收机；(3)激光扫描测量；(4)惯性测量；(5)数码相机拍摄(6)数据传输。
6.根据权利要求1所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述原始激光数据包括单木分割、树高估测、树面积指数、郁闭度估计、林分密度估测。
7.根据权利要求6所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述在激光雷达系统所获取到的点云数据足以识别出林分中的单木时，系统会根据林木种类的不同，采用不同的单木分割算法，对林分中的激光反射点进行有效点云数据分割；采用数据处理软件对激光扫描仪所发射的高频脉冲接触到树冠顶部和地面反射后所获取到的高程数据差进行计算分析，进而获取到树木的实际树高；激光雷达系统会通过LAI(多种卫星遥感数据反演叶面积指数)反演，即通过激光扫描仪获取树木冠层物理常数信息与实测LAl指数数据来构建统计关系模型，进而根据模型对树木叶面积指数进行估测计算；激光雷达系统会根据识别数据形成树冠高程模型，并以此为基础合理选择变化窗口在区域范围内进行最大值求解，将此过程中所获取到的最大值作为树冠顶部。
8.根据权利要求1所述的一种林业测绘用激光雷达系统，其特征在于：所述数据经过处理后可以获得DSM、DEM成果，配合数码相机可以同时获得DOM成果及三维模型；
所述DEM为数字高程模型，通过等高线或相似立体模型进行数据采集(包括采样和量测)，然后进行数据内插而形成的，DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息，也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作DOM的基础数据；
所述DSM为数字表面模型DSM是在DEM的基础上，进一步涵盖了除地面以外的其它地表信息的高程；
所述DOM利用数字高程模型DEM对航空航天影像进行正射纠正、接边、色彩调整、镶嵌，并按照一定范围裁切生成的数字正射影像数据集。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117233785A (zh) * 2023-09-01 2023-12-15 广东省核工业地质局测绘院 一种用于地貌测绘的激光雷达测绘系统

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117233785A (zh) * 2023-09-01 2023-12-15 广东省核工业地质局测绘院 一种用于地貌测绘的激光雷达测绘系统

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