激光雷达点云数据

激光雷达点云数据

LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称，另外也称Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)，由激光雷达进行扫描所获取的数据，即为激光雷达点云数据。

激光雷达是用激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

激光雷达的特点:

与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：

（1）分辨率高

激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。

（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。

（3）低空探测性能好

微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。

（4）体积小、质量轻

通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。

激光雷达的缺点

首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10—20km,而坏天气则降至1 km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。

其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

激光雷达点云数据的应用

激光雷达点云数据的应用非常广泛，可以用于数字三维城市的建设、三维地形的获取、三维文物重建、地籍调查、电力清查等等各种需要测绘建模的行业。例如北京数字绿土公司研发的Lidar360软件，将激光雷达点云数据运用到林业调查规划中。传统生态调查数据采集困难，能够获取的结构信息有限，而且人为主观因素对测量结果的影响大。通过高精度的数据扫描，及高效的核心数据处理系统，可以提取一系列基于激光雷达点云数据的森林参数和统计变量，包括树冠高度变量、密度变量、强度变量、郁闭度、叶面积指数和间隙率。快速反演生物量，森林蓄积量，森林覆盖率；了解其疏密程度以及不同树龄树木的情况、推算不同树种数量；获取森林地面DEM，实现森林结构参数自动提取以及三维场景

重建，用于林业的监控与管理。该技术对于地籍调查服务也非常有效，地籍测量一般采用全站仪和RTK进行数据采集或是使用航空摄影测量的方法。这两种方法完成地籍测量的周期较长，需要投入大量的人力物力，结果只能以二维的形式体现，使得地籍测量很难向三维空间扩展。而数字绿土首次将激光雷达技术应用于地籍测量，形成了从数据获取、数据处理、成果输出一整套技术支持流程。通过合理布站，获取目标三维数据，同时记录每个测站的高精度位置信息、电子罗盘信息、精确的倾角数据，对多站数据进行高精度拼接，使用控制点信息对拼接后的数据进行精确的坐标转换，在三维坐标空间下完成地籍测量图的绘制。通过采用该技术，可以节省人力物力，一次成图，作业时间短，精度高。

激光雷达点云数据还有着非常广泛的应用前景，其高效高精度的作业方式，必将深深影响人们的生产生活方式。

真实三维森林（左：实地采集照片，右：激光雷达(Lidar)数据三维数字森林）

某小区地籍测量激光雷达数据获取利用点云数据处理获得的地籍调查图