激光雷达测量系统介绍

激光雷达测量系统介绍
数据事业部李谨Lidar (Light Detecting And Ranging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的高科技集成系统，代表着当前数码测绘技术的前沿。

机载GPS提供Lidar系统的空间位置，惯性测量系统提供Lidar激光的方向，激光系统提供激光脉冲，计算机系统提供高速、大规模数据存储空间与处理能力。

近年来，国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。

其主要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面重建研究，以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。

一．Lidar技术产生背景
激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。

40年来，经过基础理论和应用技术研究，目前已经进入全面发展和应用阶段。

激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生面，而且广泛渗透到各个学科。

它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手段，带动和促进了科学技术的发展。

利用激光作为遥感设备，可追溯到30多年以前。

从20世纪60年代到70年代这段时期,人们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。

美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。

20世纪80年代末,以机载激光扫描测高技术为代表的空间，对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。

随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技术的发展日新月异。

机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型，以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态。

同时，配合地物的视频或红外成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。

机载激光扫描测高技术的发展，为获取高时空分辨率的地球空间信息，提供了一种全新的技术手段。

使人们从传统的人工单点数据获取，变为连续自动数据获取,提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。

二．Lidar技术的发展与现状
20世纪80年代,激光测量得到了迅速发展,包括当时美国NASA研制的大气海洋LIDAR系
统以及机载地形测量设备等机载系统。

但机载、空载激光扫描测高技术直到最近十几年才取得重大进展,研制出精确可靠的激光测高传感器,包括航天飞机激光测高仪、火星观测激光测高仪，以及月球观测激光测高仪。

利用它们可获取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨
率的地形信息,这对于研究地球和火星等行星的真实形状有着重要的科学意义。

1984年就有研究者从事机载激光地形测量的研究，并给出了测量结果。

德国斯图加特大学摄影测量学院在1988年开始，研究机载激光扫描地形断面测量系统；荷兰测量部门自1988年就开始从事利用激光扫描测量技术提取地形信息的可行性研究；加拿大卡尔加里大学1998年进行了机载激光扫描系统的集成与试验,通过对所购得的激光扫描仪与GPS、INS 和数据通讯设备的集成，实现了一个机载激光扫描三维数据获取系统,并进行了一定规模的试验,取得了理想结果；日本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成与试验。

20世纪90年代,随着相关技术的不断成熟，机载激光扫描测高技术得到蓬勃发展，欧美等发达国家先后研制出多种机载激光扫描测高系统, 如TopScan、Optech、Top Eye 、Saab、Fli-map 、TopoSys、Hawk2Eye 等多种实用系统。

Leica公司也推出了机载激光扫描测高仪Leica ALS40。

据统计,截至2001年7月，全球约有75个商业组织使用60多种类似的系统,从1998年起,以每年25%的速度递增。

随着机载激光扫描测高技术的不断成熟,其应用范围不断扩大。

美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统,使用了机载激光测距设备、全球定位系统、陀螺稳定平台等设备直接进行测距与定位,最终得到浅海地形。

比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光扫描水下地形测量系统，采用激光雷达技术实施远距离量测浅海深度并测绘海岸地带的地形，监测海岸侵蚀等。

该系统于1994年3月正式投入使用。

美国HARC 的激光雷达地形测量系统采用扫描激光测距方式，利用GPS定位，姿态测量装置估计是惯性导航系统。

据了解,这种系统标称能“隔夜”提供DEM ,生成DEM的速度比常规方法要快几倍,并可实现准实时遥感信息的定位并生成DEM,效率将比现有信息获取技术提高约几十倍。

德国联邦政府测绘局1994年开始研究利用激光扫描技术获取数字地形模型,获取地面真实正射影像,通过对数据进行滤波和分类,将地面点跟建筑物或植被点分开。

现在德国已有几个州的SMA 部门进行了用激光数据生成高质量DTM的试验,结果都很理想,特别是在林区,所达精度甚至优于摄影立体编辑法获得的精度。

荷兰已在全国范围内利用机载激光测高技术建立数字高程模型,采集数据的空间分辨率已达到每16m2 就有一个采样数据。

美国NASA还开发研制了机载激光植被成像传感器系统,该系统可用于森林资源调查和管理,包括推算植被参数和森林垂直结构,如树高、树冠直径、树木密度、植被生长情况、木材量、树种等。

机载激光扫描测高技术的研究在国内还刚刚起步。

北京遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载激光扫描测距-成像系统于1996 年完成了该系统原理样机的研制,该系统还有别于目前国际上流行的机载激光扫描测高系统,它将激光测距仪与多光谱扫描成像仪共用一套
光学系统,通过硬件实现了DEM 和遥感影像的精确匹配,直接获取地学编码影像,但该系统离实用还有一段距离。

武汉大学李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量系统,但还没有将定位定向系统集成到一起,目前主要用于堆积测量。

由于国内目前还没有高精度的INS 系统以及性能可靠的激光扫描测距装置,所以,国内目前还没有成熟的机载激光扫描测高系统。

三．Lidar系统的组成及分类
激光测高计、GPS 定位装置、IMU 惯性测量器、超大相幅彩色数码相机和超光谱成形相机构成了Lidar系统。

该系统能同步进行地貌数字数据的收集及数码摄像的工作。

GPS和IMU是用来高精度地确定数码相机及激光雷达的经纬度。

由于采用全数码摄影,加上激光雷达获取的数字数据,使得融合数字化的GPS和IMU数据极为方便。

所有图像数据都储存到摄影制图软件,也可储存到DVD及CD中,经过正射处理后可浏览立体图像。

由此省去冗长乏味费用昂贵的地面GPS海量数据的采集工作,不仅节约时间、降低成本,而且最大限度地避免了融合GPS数据扫描影像时通常难以避免发生的错误。

Lidar系统的分类有很多种，根据其应用领域、探测方式、运载形式、工作模式、激光器种类、配置方式的不同可分为不同的种类。

具体分类见下图：
四．Lidar技术的特点
(1) 航空激光扫描测量系统是一种直接主动式测量方法，它可以用来记录建筑物、地物、地貌的变迁情况。

(2) 它是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。

(3) 可以不需要事先埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面的已知点上，安置一个或几个GPS基准站即可。

(4) 与其他传统测量手段相比，航空激光扫描测量系统具有数据采集速度快、测量数据精度高、外业作业成本低、数据处理自动化程度高等优点。

(5) 可以对危险地区安全地实行远距离高精度测量。

(6) 数据采集高度数字化、自动化，数据处理过程高度自动化，最后可以直接获得传统“4D”产品。

(7) 可以区分地面及非地面物体。

(8) 受天气条件的影响远小于航空摄影测量。

(9) 生产效率大大提高。

五．Lidar技术主要行业应用
(1) 数字城市：激光雷达能够提供高精度三维地形数据和城市建筑影像数据，与传统的遥感或实地测量相比，具有速度快、精度高、时效性强、更新方便等特点。

(2) 数字电网：通过三维激光雷达遥感可快速获取高精度三维地形数据及影像数据，为电网规划、改造、检测和维护应用提供数据服务。

(3) 数字水利：通过三维激光雷达遥感系统、互连网和无线通讯等现代化手段对中国水利资源进行数据采集、传输、存储和处理，以及数字模拟等工作，分析研究水利的自然现象，探索其内在规律，为水域治理、开发和管理提供方案和科学依据。

(4) 数字勘测：激光雷达技术可为城市建设、工程建设等提供基础地理、系列比例尺数字地形图、工程地质、三维地形建模、各类专题图等功能，为城市规划、建设项目的立项、选址、论证以及房屋拆迁、用地普查、公共设施配套等提供决策依据和咨询意见，并可做水文地质、地震、环保等综合分析。

利用建设工程竣工测量、地下管线竣工测量、修测等手段，保证基础地理信息的动态性和现势性。

(5) 古建筑文物保护：借助于三维激光雷达遥感，可以对各种文物古迹，乃至大型建筑物进行扫描和存储，电脑驱动的强大扫描头每秒可以抓取数百幅图像，并且可以在固定的操作架上从不同的角度同时对同一目标进行扫描。

（6）大气遥感和大气测量：这是激光雷达作为民用最普遍、最广泛的一种技术。

当激光雷达发送出去的激光束受到尘埃、云雾、烟雾和大气中其他微粒散射和反射以后，装在激光器旁边的光探测器就可以测出反射激光的强度，由信号强弱即可判断出大气中微粒的多少。

运用激光雷达可以研究大气层结构、大气污染和大气动力学过程，从而进行天气预报和监控大气污染。

六．总结
Lidar技术已成为一种先进的集成测量技术方法,具有极好的发展前景和很强的竞争力。

国际上许多公司、研究机构投入大量人力、财力进行相关技术与系统的研究开发,并在诸多领域得到了应用。

机载激光扫描测高技术在许多领域有着广泛的应用前景,而我国在Lidar 技术方面的应用研究同国际发达国家相比相对落后,为使Lidar技术今后能有效地服务于我国的国民经济建设,开展激光测高技术的应用研究以及激光测高数据处理的方法研究具有非常重要的理论价值和现实意义。