激光雷达技术原理教学法论文:激光雷达的原理

激光雷达技术原理教学法论文

1．1了解新型传感器原理 首先，以学生熟悉的全站仪为对照，让学生了解激光雷 达是一种集成了多种高新技术的新型测绘仪器，具有非接触 式、精度高(毫米级/亚毫米级)、速度快(可达120万点/秒)、 密度大(点间距可达毫米级)的优势，且数据采集方式灵活， 对环境光线、温度都要求较低。其次，让学生理解LiDAＲ的 测量原理主要分极坐标法和三角测量法两种。其中，对于极 坐标法测量，使学生了解测距的关键在于时间差的测定，引 出两种常用的测时方法:脉冲法和相位法;让学生理解直接 测时和间接测时的区别以及各自的优缺点，从而进一步了解 脉冲式和相位式激光扫描设备的优势、局限性以及应用领域。最后，通过介绍激光雷达采集数据的扫描方式，让学生了解 不同平台上的激光雷达传感器的工作特点，如固定式激光扫 描仪适合窗口式和全景式扫描，车载、机载以及星载平台适 合移动式扫描等。

1．2熟悉激光扫描仪操作 考虑到各类平台激光雷达的作业特点以及现有设备的 情况，《激光雷达技术原理》课程以地基三维激光扫描仪为 重点，让学生熟悉仪器的外业操作。尽管激光扫描仪数据采 集的自动化程度较高，外业采集仍然需要解决扫描设站方案 设计和不同扫描站间连接点选择等问题，要求学生在熟悉激 光扫描仪软硬件操作的同时，还要掌握激光扫描仪外业采集 方案的设计:踏勘工作区，分析研究最优化的扫描设站方案 和坐标转换控制点选择，画出相关的设计草图，并设置主要 扫描设站的标志。要求设站位置既要保证与相邻站的重叠， 又要覆盖尽量大范围的被扫描对象，以减少设站数，从而提 高外业数据采集效率。

1．3掌握激光点云数据后处理方法 利用点云数据可视化与点云原始存储格式之间的明显 反差，让学生了解激光点云数据后处理的重要性和难点，及 其已成为制约激光雷达技术应用瓶颈的现状。根据学生的理 解程度，选取了点云的拼接/配准、点云的滤波和分类、点 云的分割和拟合等后处理方法，要求学生掌握相关的算法并 编程实现。1．3．1点云的拼接/配准点云拼接是将2个或2个以上坐 标系中的大容量三维空间数据点集转换到统一坐标系统中 的数学计算过程。要求学生掌握如何解决点云拼接的两个关 键问题:同名特征的配准以及旋转矩阵的构造。对于同名特 征的配准，使学生了解常用配准方法的特点和适用范围，如 ICP方法适合用于精拼接，而基于特征面的方法对场景特征 分布要求较高等。着重让学生掌握最常用的人工标靶识别， 以及特征面匹配，后者有别于学生所熟知的点特征匹配;对 于旋转矩阵的构造，拓展学生在《摄影测量学》［6］中学 习的基于欧拉角的旋转矩阵构造，掌握角－轴转角系和单位 四元数方法。

1．3．2点云的滤波和分类要求学生了解滤波和分类的 目的是解决激光脚点在三维空间的分布形态呈现随机离散 的问题。掌握基于高程突变和空间形态学的点云滤波和分类 方法。让学生理解单一的信息量会导致算法不稳健，从而引 出多源数据融合的思路。目前，已经有很多激光扫描仪生产 厂商推出的新产品中实现了多传感器平台的集成，如激光扫 描仪会搭载小像幅的数码相机，甚至有些系统还提供由集成 传感器生成的红外影像。每种数据源都有其自身的优点和局 限性，将多源数据融合能够弥补各个单数据源的局限性，增 大信息量，从而提高滤波和分类方法的稳健性。

1．3．3点云的分割和拟合要求学生掌握实现点云分割 的相似性原则:平面性、曲面平滑度和邻域法向，以及常用的点云分割方法表面生长法。考虑到点云拟合是由离散激光 点坐标计算特征模型参数的过程，要求学生掌握点云拟合中 两个主要问题的解决方法:粗差剔除及最优解获取。

2实践教学法 实践教学是卓越工程师培养体系中一个重要的组成部 分。作为技术性的测绘工程学科，除应用测量仪器采集数据、 应用计算机处理数据的基本能力外，还需要构建实践教学体 系以培养学生在实践中选用适当的理论、技术、仪器设备和 作业方法解决测绘工程与地理空间信息产品生产实际问题 的能力，从而使学生接受测绘工程与地理空间信息产品生产 方案设计、实施以及实际应用中测绘工程解决方案确定等系 统化训练。《激光雷达技术原理》课程实习要求学生全面应 用所学知识，利用实习场地，依据实习目的和要求在老师的 指导下分组独立完成全部实习内容。实习仪器为中国地质大 学(北京)遥感地理信息工程教研室使用教育部采购专项购 买的ＲIEGLLMSZ620三维激光扫描仪。《激光雷达技术原理》 课程实习的目的主要是使学生通过三维激光扫描仪的使用， 进一步巩固和加深理解相关理论知识和技术方法。要求熟悉 三维激光扫描仪数据采集与处理(包括DEM、等高线和剖面图 生成以及三维建模等)的全过程。通过实践性教学，不仅能 够让学生掌握基本的软、硬件使用操作方法和LiDAＲ测量项 目的作业流程，而且能够加深学生对所学专业理论知识的理 解。培养学生的应用能力、创新能力以及严肃认真、实事求是、吃苦耐劳、团结协作的精神。要求学生必须参加每一个 实习环节，协作完成实习任务，独立完成实习报告。实习内 容主要包括以下部分。

2．1三维激光扫描 数据的外业采集要求学生分组完成测区划分和踏勘，确 定测站位置，根据测区地形，设计外业数据采集方案，完成 外业设站、反射标靶布设和数据采集工作。学生需要完成校 园内建筑物点云数据和奥林匹克森林公园地形点云数据的 采集。

2．2点云数据预处理 要求学生分别利用随机软件ＲiSCANPＲO和上机C语言 编程对外业采集的三维点云数据进行预处理，包括点云数据 的滤波和拼接。

2．2．1点云滤波1)手动滤波要求学生利用ＲiSCANPＲO 对点云数据进行滤波。ＲiSCANPＲOv1．7．0有两种模式， 即Filterdata和Terrainfilter。前者针对一般数据，后者 对于提取地形的数据有明显效果。2)自动滤波要求学生上机 应用C语言编程实现数学形态学方法、移动窗口滤波法、迭 代线性最小二乘内插法、基于可靠最小值的滤波方法等常用 的地形滤波算法，对外业采集的数据进行滤波，并对各算法 的结果进行比较和分析。图1为学生基于虹湾地区嫦娥一号 激光测高数据，利用五种滤波方法滤波后的数据点残差值分 布图［7］。2．2．2点云拼接1)基于反射标靶的点云拼接要求学生 利用ＲiSCANPＲO软件，结合外业数据采集时布设的标靶连 接点，对地形和建筑物点云数据进行拼接。激光点云数据的 拼接有两种方式:公共反射体的方式和采用使所有的反射体 处于同一坐标系统的方式。在实际操作过程中，要求学生对 两者结合使用，以期达到更好的拼接效果。2)基于特征面的 点云拼接要求学生在对点云进行拟合的基础上，选取至少三 对相互正交的特征面，利用C语言上机编程，实现基于特征 面的点云拼接，并与单纯基于点的拼接结果进行对比，分析 不同方法的优缺点。

2．2．3地形数据处理对地形数据的处理主要包括三角 化、平滑、生成等高线和剖面。三角化参数的设置可参考量 测工具量测出的点云中两点之间的距离初步设定，这个值可 适当调整，目的在于使图中的点云数据彼此之间能尽量大面 积地构成三角网;要求学生对已经完成三角化的数据进行平 滑处理;针对已经完成平滑的数据，利用ＲiSCANPＲO软件生 成等高线。剖面图的显示既可以针对三角化之前的数据，也 可以针对三角化之后(包括完成平滑的数据)来操作。

2．2．4建筑物几何模型重建针对《激光雷达技术原理》 数据处理方法的教学内容，指导教师结合自身的研究成果组 织研究生开发了点云分割和拟合以及三维建模等软件模块， 考虑到学生的掌握程度和实用性，要求学生在利用软件模块 实现点云数据分割和拟合的基础上，利用AutoCAD软件手工建立建筑物的几何三维模型，基于3DSMAX软件建立建筑物纹 理模型。图2为暑期教学实习中指导学生利用商业软件和自 主开发的软件模块重建的地大校园主要建筑物的三维模型。

3结束语 本文重点讨论了测绘工程专业卓越工程师培养中现代 测绘技术―――《激光雷达技术原理》的教学内容、教学法 的特点和创新。鉴于激光雷达是一项测绘新技术，国内还没 有成熟的教材，教学内容结合国际权威著作和最新研究及应 用成果制定，对学生采取了“了解测量原理”“熟悉仪器操 作”和“掌握数据处理”的由浅入深、理论实践结合的教学 模式，使学生能够突破学习《激光雷达技术原理》课程的难 点，熟练掌握激光雷达技术的原理与方法，拓展学生分析问 题、解决问题的能力，达到全面提升学生创新能力的目的。