1.4 激光测距、轮廓线获取及激光扫描的基本原理
本章将对激光测距、轮廓线获取及激光扫描的基本概念做一简要介绍，主要关注的是激光的基础及激光测距的基础。
1.4.1 激光测距
所有的激光测距、轮廓线获取及激光扫描的操作都是基于不同类型的激光测距设备实施的。通常被描述为激光测距与或者是激光探测仪，能够获取高精度的测距数据。这些内容将在本章后续部分进行更详细的介绍，高精度的距离测量大多都是基于的精确的时间测量，主要有两种途径：
1、TOF方式是通过记录一个短促的激光脉冲在被测物体和传感器之间的飞行过程来实现的。传感器通过记录精确的脉冲飞行时间间隔来实现距离的推算，解算公式如（1.1所示）。
R=v·t/2
其中R为测距，v为光速常量，t为记录的时间间隔。
基于以上确定的关系可以得出测距的精度为：
△R = △v · t/2 + v·△t/2
△R为测距精度，△v为速度精度，△t为时间精度。由于光速是一个常量，所以在实际的系统当中测距的精度主要由时间来确定。
2.第二种测距的方式，激光以连续波的形式发射，而不是一个独立的脉冲，在这种情况下，测距值是通过对比发射和接受时刻的波形相位变化来实现。由于发射的激光的载波信号波长（λ）非常短，通常在1微米（μm）级别，而对于正常的测图应用而言，这样的测距精度没有必要，所以在载波信号上叠加了一种测量波形的调制信号，这样可以更精确地测量其相位差。如此，激光辐射的振幅amplitude（或强度intensity）就能够以正弦信号（sinusoidal signal）的形式体现出来，与之对应的周期为T波长为λ，斜距R的测量值就能够通过相位的差异推算出来，相位变化的测量同行通过数字脉冲计数技术实现，图表1.2是对此测距模式的介绍。
可以看到整个测距过程中是有整数个整波长加上部分的片段波长组成的整个测距行程，所以相位法测距公式可写成：
R = （Mλ+△λ）/2 ，M代表整数个波长，△λ代表不足一个正周期的波长。
△λ = （φ / 2π）·λ，其中φ为相位角。
1.4.2 激光轮廓线获取
使用五棱镜激光测距仪来测量一系列的连续地面点，能够得到二位的垂直方向的轮廓线，能够直接反应沿此直线上的地面高程分布。
1、使用地基激光测距仪，地面轮廓线的测量包括两个部分，包括斜距（slant distance）和垂直角度（Vertical angles）两个部分，如图1.3所示，每个单独的点都被记录下来，与之对应的还有测量垂直角度，通过1.4公式进行计算：
D = R · cosV
D为水平距离；R为测量斜距；V为垂直角。
根据1.3b图所示，
△H = R sinV
△H是测量点和地面架站点的高度差。
2、当激光轮廓线制图仪安装在机载平台或者是天基平台的时候，通常被叫做激光测高仪，能够直接垂直打向地面，并在快速移动的平台基础上能够快速地获取一系列的距地高度数据，在平台的位置和海拔高度可确定的前提下，例如使用GPS/IMU系统，那么所采集的连续的地面点的绝对坐标也可以确定。如此沿着航线的地面轮廓线就能重建了。如图1.4所示。
1.4.3 激光扫描
对于激光扫描体制，在原来的测距仪的基础上，通过一个旋转反射镜或者是棱镜，原来的测距系统就能升级成为一个扫描仪，能够获取更为精细的地物特征而并不是原来的只有一条高程剖面线。
1、针对于地面扫描设备而言，平台的位置始终是固定的，所以要想扫描一个区域的地形，就需要具备两个维度运动的能力，如此，除了使用旋转棱镜或者是旋转反射镜提供的垂直运动，还需要一个方向运动，通常使用电机驱动绕垂直轴线旋转，如此便构成了空间被测物体或者是地面的一系列轮廓线的扫描如图1.5a所示。
2、在机载平台或者是天基平台应用当中，地面的扫描的实现是通过一系列垂直于航线方向的轮廓线扫描实现的，机载设备上的旋转反射镜或者是旋转棱镜的转动形成了地面的扫描轮廓线，而飞行平台的运行构成了扫描过程的第二维度运动。在数据采集过程中，旋转棱镜的角度数据可以通过高精度的角度编码器记录，如此保证了在飞行方向上及水平方向上的地形的获取。通过获取的一系列的高程点集，也可被称为激光雷达点云，以此获得区域的地形（如图1.5b所示）。
