地面激光扫描强度数据的影响因素分析

作者:苍桂华;岳建平;潘邦龙 刊名:测绘科学技术学报 上传者:张美芹

【摘要】地面三维激光扫描仪既提供扫描地物的几何信息数据,又提供其强度数据。强度数据包含地物物理和化学特征信息,因此强度数据可用于地物的分类。除了地物对激光的反射率外,强度数据还受到诸多因素的影响。将地面激光扫描强度数据影响因素归纳为4个方面,即仪器设备、外界环境条件、地物表面特性和扫描几何条件等。综述分析各方面因素对强度数据的影响,提出仪器设备、距离和入射角是地面激光扫描强度数据应用中需考虑的影响因素。

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地面三维激光扫描TLS(TerrestrialLaserScanning)是20世纪90年代发展起来的一种非接触式高速激光测量技术。与传统测量技术的单点获取方式不同,它能对被测地物进行快速扫描测量,获取激光点所接触地物表面的几何信息各点相对于扫描仪内部系统的三维坐标。这些离散的点阵数据,通常称之为“点云”数据。点云数据经过处理后可以实现对地物的快速重构。相对于其他三维重建方法,地面三维激光扫描作业方式较灵活,能够深入到大型、复杂场景完成数据采集,且具有采集数据速度快、获取的数据精度高、数据量大等特点,目前已经在城市三维建模、文物古迹保护、建筑物变形监测、逆向工程等领域获得广泛应用。地面三维激光扫描仪在记录地物表面几何信息的同时,还记录激光脚点接触地物的物理信息各点反射的激光回波信号,即强度数据。回波信号的功率由地物对激光的反射能力决定,与地物属性有着密切关系,因此激光扫描系统记录的强度数据在实质上同传统光学影像得到的灰度影像是一样的,可用于地物目标的分类[1-2]。以往由于强度信息中的噪声较大,一般弃之不用。近年来,由于数据采集技术的提高,其精度也在逐步提高,越来越多的研究人员开始重视对强度信息的使用[3]。如将强度数据用于进行不同测站点云数据的配准[4]、冰川地区的环境研究[5-6]、点云数据的滤波和分类[7-8],以及利用强度数据或将强度数据与点云数据结合进行地物的提取与分类[9-12]。强度数据除与地物对激光的反射率有关外,还与仪器设备、外界环境条件、地物表面特性和地物扫描几何条件等因素有关。由于这些因素的影响,出现与遥感影像的“异物同谱,同物异谱”相类似现象,即同种地物具有不同的强度数据,而不同种地物又具有相同的强度数据。利用这样的强度数据进行地物的识别和分类,势必影响结果的可靠性和精度,因此许多学者对地面激光扫描强度数据影响因素进行了大量研究。在现有相关研究成果基础上,将强度数据影响因素总结为4个方面因素。综述4方面因素对地面三维激光扫描强度数据的影响,并指出激光扫描强度数据应用时需考虑仪器设备、距离和入射角的作用。1地面激光扫描强度数据基本原理地面三维激光扫描系统记录的强度数据与其接收到的激光回波能量有关,强度数据值与回波功率幅度的峰值成正比关系[13]。地面三维激光扫描仪测距原理与微波雷达的原理相同,只是雷达使用的是微波,地面三维激光扫描仪使用的是相对于微波波长更短的激光[14]。因此雷达测距方程也可以用来描述激光回波能量与激光发射能量的关系。假设激光测距系统中的激光发射系统与接收系统是同轴的,即激光束发射角和地物后向散射波束的立体角是一致的,另外发射器和探测器与地物的距离相等,则雷达测距方程被简化为激光测距系统的适用形式[15],即PR=PED2R42ER4AtmSys.(1)式中,PR为激光接收功率;PE为激光发射功率;DR为接收光孔孔径;R为地物与扫描仪之间的距离;E为激光束发射角;Atm和sys分别为大气和仪器系统的能量传输因子;为地物后向散射截面。包含了地物所有特性,是地物后向散射波束的立体角,地物对激光的反射率和地物反射截面积AS(激光光束与距离R处地物相交截面积)函数,即=4AS.(2)设地物为扩展目标,地物被激光照射区域AS为圆形,则AS可由E和R来表示,即AS=R22E4.(3)又设地物为发生漫反射的朗伯体,反射的立体角=,若入射角(激光光束与地物表面法向所成的锐角)为,则与cos有关,式(2)变为[16]=4R22E4cos=R22Ecos.(4)将式(4)代入式(1)得到[17]PR=PED2R4R2AtmSy

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