LIDAR技術(shù)的介紹及特點(diǎn)

　　1、 LIDAR技術(shù)簡(jiǎn)介

　　LIDAR技術(shù)是近二十年來(lái)攝影測量與遙感領(lǐng)域具有革命性的成就之一。隨著(zhù)空間數據應用領(lǐng)域的不斷擴大，對獲取準確可靠空間數據的要求也越來(lái)越高。傳統的攝影測量因為生產(chǎn)周期長(cháng)、費用高、高程點(diǎn)獲取的密度低，已經(jīng)不能夠完全滿(mǎn)足當前信息社會(huì )的需要。LIDAR作為一種能夠快速精確地獲取地面三維數據的技術(shù)隨之孕育而生。

　　LIDAR系統根據載體的不同，分為機載LIDAR和地面LIDAR兩種模式。其中機載LIDAR多用于大比例尺地形測量，如地形圖繪制等；而地面LIDAR適合更精細、更高精度的復雜地物量測，如古建筑三維模型重建、復雜場(chǎng)館量測等。

　　LIDAR是一種集激光、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）三種技術(shù)于一身的系統。這三種技術(shù)的結合，可以高度準確地定位激光束搭載物體上的光斑。它能快速獲取地表點(diǎn)三維數據，相比航拍數據和二維矢量數據，有著(zhù)更高的高程精度，在獲取高精度DEM尤其是大比例尺的高精度DEM方面有著(zhù)很大的優(yōu)勢。

　　2、 LIDAR系統概述

　　LIDAR是英文LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母組合，即激光探測及測距系統。它是采用單個(gè)激光脈沖量測從激光源到目標，再回到激光接收器的時(shí)間，同時(shí)結合飛機上傳感器定位、定向數據，精確量測出被動(dòng)物體（目標）的三維坐標。

　　2.1 系統組成

　　機載LIDAR系統主要包括：激光測距儀，用于測量傳感器到地面點(diǎn)的距離；高精度觀(guān)星測量系統（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數；基于差分技術(shù)的全球定位系統（GPS），用于確定掃描中心的空間位置；高分辨率數碼相機，用于獲取對應地面的彩色數碼影像，最終制作正射影像。

　　2.2 LIDAR的測量原理

　　LIDAR系統中的激光測距儀包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來(lái)，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回來(lái)的傳播時(shí)間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會(huì )在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。由于光速是已知的，傳播時(shí)間就可以被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描的角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準確地計算出當前的光束所對應的地面光斑的（X，Y，Z）。一般激光束發(fā)射的頻率可以達到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。很多LIDAR系統還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹(shù)冠的頂端，其中的一部繼續向下打在更多的樹(shù)葉或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會(huì )有一組多次返回的具有X、Y、Z坐標的點(diǎn)記錄，并分層表示。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們可以通過(guò)分類(lèi)和濾波處理，獲取地面高程以及樹(shù)高及建筑物的高度等信息。

　　2.3 測量精度分析

　　激光具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個(gè)厘米。而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素外，還取決于激光、GPS及慣性測量單元（IMU）三者同步等內在因素。大多數內在因素是已知的并可預測的。外在因素包括：飛行計劃、飛行條件、大氣環(huán)境的影響、地形起伏以及植被的覆蓋等等。因為由GPS、IMU及激光器產(chǎn)生的誤差是可測知的，所以可以認為L(cháng)IDAR所獲得的點(diǎn)集（X，Y，Z）是一個(gè)描述地形和植被覆蓋情況的函數。在理想的點(diǎn)陣密度下，反射點(diǎn)的精度就是DEM精度。利用機載LIDAR系統進(jìn)行測高作業(yè)，根據不同的航高，其平面精度可以達到0.15至1m，高程精度可達到10cm至30cm，地面分辨率甚至可達到厘米級。

　　3、 LIDAR系統的數據處理過(guò)程

　　LIDAR技術(shù)應用在生產(chǎn)中，其數據處理過(guò)程分為三部分，分別是預處理、后期處理、質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查需兩次，分別在預處理、后期處理結束后進(jìn)行。

　　3.1 LIDAR數據的預處理

　　LIDAR數據的預處理過(guò)程主要可以分為POS數據解算和生成三維點(diǎn)云兩個(gè)部分。POS數據解算就是提取出LIDAR系統的GPS數據和IMU數據和其他的輔助數據，通過(guò)對GPS數據進(jìn)行差分擬合，得到激光發(fā)射瞬間激光發(fā)射器的精確GPS坐標；通過(guò)GPS定位數據、IMU數據和其他輔助數據進(jìn)行聯(lián)合解算，得到精確的六個(gè)外方位元素。利用POS解算數據和大氣校正、距離校正、掃描儀校正等參數，可以解算出每一個(gè)激光對應的地面光斑的三維坐標，生成后續處理需要的三維點(diǎn)云文件。

　　3.2 LIDAR數據的后期處理

　　LIDAR數據的后期處理是對與處理過(guò)的數據依據數據的高程信息，區別定性分類(lèi)，生成最終產(chǎn)品。這里的分類(lèi)實(shí)際上是按照某一點(diǎn)的數據高程信息區分該點(diǎn)是否是地表點(diǎn)。一般根據絕對高程或設定閾值來(lái)去除明顯的異常點(diǎn)，也可以根據其他的濾波算法進(jìn)行噪聲點(diǎn)濾除。根據多重回波性質(zhì)進(jìn)行植被分類(lèi)，然后提取出地面點(diǎn)、建筑物上的點(diǎn)等，再從地面點(diǎn)中抽取一定密度的點(diǎn)來(lái)建立地表面高程模型。

　　3.3 數據檢查

　　預處理的質(zhì)量控制就是將預處理過(guò)程中生成的點(diǎn)云文件和說(shuō)明文件進(jìn)行檢查，檢查處理過(guò)程是否正確，精度是否達到要求。后期處理的質(zhì)量控制主要是檢查處理好的數據是否真實(shí)合理，是否按要求進(jìn)行了準確的分類(lèi)。

　　4、 LIDAR系統的發(fā)展現狀

　　4.1 LIDAR系統的特點(diǎn)

　　機載激光雷達系統與機載GPS、慣性導航系統INS以及CCD相機結合，能夠進(jìn)行精確的空間定位。由于采用激光測距方式，與常規的航空攝影測量相比，其數據獲取條件具有獨特優(yōu)勢。

　　同傳統的攝影測量相比，激光點(diǎn)云的地標測量采集間距在0.8-1.2m之間，甚至更小，數據密度極大，非常有利于真實(shí)地面高程模型的獲取。由于激光具有多次回波特性，任一束激光穿越植被空隙時(shí)，可以返回葉面、枝椏、地面等多個(gè)高程數據，有效克服植被影響，更接近地面真實(shí)高程。激光雷達采用主動(dòng)測量方式，不依賴(lài)自然光，在因太陽(yáng)高度角、植被、山嶺等影響傳統航測方式無(wú)能為力的陰影地區，其獲取數據的精度完全不受影響。由于采用激光回波探測原理，LIDAR數據的高程精度和比例尺與測量時(shí)的航高無(wú)關(guān)。采集的每個(gè)地面點(diǎn)都帶有真實(shí)三維坐標，需要布設的野外地面控制點(diǎn)相比于傳統的航測有很大的減少，這就減少了生產(chǎn)作業(yè)量，使航測制圖更加快捷。

　　4.2 LIDAR系統的應用

　　隨著(zhù)計算技術(shù)以及GPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應用，LIDAR技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)完全成熟。在使用攝影測量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區，LIDAR技術(shù)提供了一種直接獲取地形表面模型的有效手段。通過(guò)與影像以及信息的融合，LIDAR系統不僅僅局限于獲取數字高程模型數據等傳統的應用領(lǐng)域，而且廣泛應用于城市三維模型的直接獲取、GIS數據獲取、高壓線(xiàn)監測、林業(yè)監測等領(lǐng)域。

　　LIDAR利用激光傳感器對地面進(jìn)行掃描，同時(shí)利用慣性導航系統實(shí)時(shí)定位飛機姿態(tài)，再加上GPS觀(guān)測坐標，還可以打開(kāi)LIDAR攜帶的數碼相機進(jìn)行航空攝影，獲取相片數據。利用這些高精度的數據可以得到大范圍高精度的4D產(chǎn)品。

　　根據LIDAR數據，可以分析森林樹(shù)木的覆蓋率和覆蓋面積，了解樹(shù)木的疏密程度、年長(cháng)樹(shù)木的覆蓋面積和年幼樹(shù)木覆蓋面積。這就便于人們在茂盛森林中適當砍伐樹(shù)木，在林木稀疏或無(wú)植被區域進(jìn)行樹(shù)木種植。另外，通過(guò)LIDAR數據可以概算出森林占地面積和樹(shù)木的平均高度，以及木材量的多少，便于相關(guān)部門(mén)進(jìn)行決策。

　　在進(jìn)行電力線(xiàn)路設計時(shí)，通過(guò)LIDAR數據可以了解整個(gè)線(xiàn)路設計區域內的地形和地物要素的情況。尤其是在樹(shù)木密集處，可以估算出需要砍伐樹(shù)木的面積和木材量。在進(jìn)行電力搶修和維護時(shí)，根據電力線(xiàn)路上的LIDAR數據和相應的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線(xiàn)路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護。

　　4.3 目前LIDAR系統存在的問(wèn)題

　　當然LIDAR技術(shù)也有其不盡人意之處。例如LIDAR數據在密林及密集建筑區，由于激光雷達有多次回波，在數據濾波的時(shí)候不能得到滿(mǎn)意的地表信息數據。這種地區的數字地面模型，仍只能采用普通方法獲取。

　　在LIDAR數據預處理階段，因為L(cháng)IDAR是由多種設備組成的復雜系統，其獲取的數據也有很多種，信息獲取時(shí)的數據流程也比較復雜。目前原始數據的獲取和激光腳點(diǎn)坐標解算、精度控制等都由硬件生產(chǎn)廠(chǎng)家在提供原始數據時(shí)進(jìn)行的，但因為用戶(hù)不同，他們對數據的要求也不同，有時(shí)硬件廠(chǎng)家提供的數據不滿(mǎn)足要求。所以迫切需要算法豐富、功能完備的LIDAR數據處理平臺來(lái)滿(mǎn)足不同用戶(hù)和應用的需求。此外，LIDAR系統定位的基本原理是測角和測邊，而激光雷達系統的掃描帶寬是有限的，那么在進(jìn)行大面積測量時(shí)，必須飛行多條航帶才可以覆蓋待測區域，而且航帶間要保持一定的旁向重疊度。由于存在著(zhù)系統定位和姿態(tài)測量誤差，那么在旁向重疊區域會(huì )出現高程相對漂移。在LIDAR數據中，很難判讀同名點(diǎn)，也就無(wú)法找到重疊區域的聯(lián)系點(diǎn)，這使得傳統航空攝影測量數據處理中對重疊區域的誤差消除和平差的算法不能使用，因此必須研究新的拼接模型。

　　激光雷達直接獲取點(diǎn)位的三維坐標，但忽略了反映對象特征的其他信息，如光譜信息。盡管在提取空間位置信息上，激光雷達數據有其自身的優(yōu)勢，但圖像數據包含光譜信息對認識主題也具有重要的作用。目前一般在LIDAR上都集成有數碼相機作為光譜信息的補充。此外，由于遮擋、物體特性等因素，數據集中往往會(huì )出現沒(méi)有數據的部分（縫隙），一個(gè)明顯的例子是“陰影”。作為一種主動(dòng)式信息獲取技術(shù)，激光雷達技術(shù)掃描角度有限，對光照度不敏感，因而受陰影影響相對較小。但位于掃描帶邊緣的建筑物等仍然會(huì )產(chǎn)生遮擋的現象。這種現象帶來(lái)的一個(gè)直接問(wèn)題是位于數據縫隙的內插點(diǎn)（高程）數據可能與實(shí)際情況存在較大差異，這就需要采用新方法在原始數據中判斷是否存在這些縫隙，并采取相應的處理。

　　5、 展望

　　機載LIDAR技術(shù)是實(shí)現空間三維坐標和影像數據同步、快速、高精度獲取的國際領(lǐng)先的空間技術(shù)，在采集地標數據方面具有傳統航空攝影測量所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢。三維激光雷達技術(shù)是高精度逆向三維建模及重構技術(shù)的革命，是進(jìn)行大區域空間監測的利器。隨著(zhù)技術(shù)的成熟，LIDAR數據處理技術(shù)會(huì )得到改進(jìn)，激光雷達的應用領(lǐng)域和深度也會(huì )日益拓寬和加深。

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