机载LiDAR的发展历史

机载 LiDAR 的发展历史

李峰，中国矿业大学（北京），2011

机载 LiDAR 技术的发展可以追溯到上个世纪六十年代。1960 年，美国加利福尼亚州休 斯实验室的科学家梅曼研制成功了世界上的第一台红宝石激光器。1965 年，英国国防部使 用砷化镓半导体实验性激光测高仪测量空中飞机距离地面的高度，当时的飞行高度为 300m，激光测距的精度达到了 1.5m；通过示波器显示的激光脉冲振幅可以很容易地区分 出地面和建筑物的屋顶，区分的结果还可以用飞机所拍摄的地面照片进行验证。不久以后， 首个航空激光剖面测绘仪（laser profiler）被引入到了商业地形制图作业中；这种激光测距 仪采用了氦氖气体激光器，发出波长为632.8nm的连续波 CW（Continuous Wave），利 用 KDP 晶体使得连续波分成 1,5 和 25MHz 三种不同的频率，由地面反射回的每种回波信 号与参考信号对比后得到各自的相位差， 从而计算出实际的距离， 这是最早的相位式激光器； 同时安装在飞机上的灵敏式气压传感器用来测量飞机的绝对高程， 经过检校的条幅式相机用 来提供地面的剖面线性影像；通常认为这种激光测高仪的测距范围为 300-1500m，但在 4500m的高度时也接收到了地面的回波信号。1969年，美国的阿波罗 11号飞船的宇航员 们就已经在月球的静海中安置反射镜阵列， 当来自地球的激光脉冲被反射后就准确地测试出 了地球与月球之间的距离。1979年，美国马萨诸塞州的 Avco Everett 公司采用了钇铝石榴 石晶体 Nd.YAG（Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet）固体式激光测图系 统，使用双轴式陀螺仪来测定飞机的飞行姿态并且用来辅助确定地面激光点的位置； 这种激 光剖面绘图仪的位置和姿态由装置在飞机上的微波测距系统与地面 3 个已知基站的异频雷 达收发机来共同确定。 1980 年， 美国的马塞诸塞州出现了名为 PRAMIII 的激光剖面绘图仪， 它的波长为 904nm，脉冲重复率 PRR（Pulse Repetition Rate）高达 4kHz。当时像 Honeywell、Litton 等著名公司的 IMU 开始集成到这个系统中，并且一些公司开始提供商 业化的地形剖面绘图服务。

1985年，NASA 下属的兰利研究中心执行了它的机载激光测量任务，目的是研究大气 中存在的水蒸气和气溶胶的密度。1973 年到 1994 年间，美国国防部成功地建立起了全球 定位系统 GPS。通过 4 颗以上的 GPS 卫星就可以准确地测定地物的三维坐标。1988 年， 德国斯图加特大学的 Ackermann 教授进行了机载动态 GPS 的测量试验，以少量的地面控 制点 GCP（Ground Control Point）成功实现了 GPS 空中三角测量。在同一年里， Ackermann 教授又展示了利用机载激光测量技术测绘森林地区地形的潜在用途。1989 年 至 1993 之间，斯图加特大学的 Peter Frie ß.、Joachim Lindenberger两位博士生将 GPS 接收机、惯性测量系统 IMU 以及激光扫描仪集成在一起，利用 GPS获取扫描仪中心的位置 坐标和 IMU 测定扫描仪的三个姿态角的功能，完成了一系列的测量试验，当时的系统就成 为了现代LiDAR 系统的雏形。

1989 年，SAAB 公司（AHAB 的前身）受瑞典海军的委托开发了一套用于追踪潜艇的 测海机载LiDAR 系统。1992 年，Peter Frie ß.和 Joachim Lindenberger成立了 TopScan 公司。在 1993 年，加拿大的 Optech 公司推出了第一套真正意义上的商业化激光扫描仪 ALTM 1020，随后，由 TopScan 公司采集数据并对系统进行了评估。1998 年，NASA 开 始使用波形数字化激光扫描仪LVIS 采集数据。2004年，奥地利的Riegl 公司生产出了商业 化的全波形激光扫描仪 RIEGL LMS-Q560，并由其合作伙伴—德国的 IGI 公司推出 LiteMapper5600 机载 LiDAR 系统；全波形的特点是数字化采用并存储返回激光脉冲的全 部回波，能详细地观测到地物的垂直结构、地表坡度、粗糙度及反射率等。