激光雷達LiDAR的起源、發(fā)展、原理及應用前景

　　前言

　　激光雷達是“光探測和測距“ LiDAR (Light Detection and Ranging) 的簡(jiǎn)稱(chēng)，最初稱(chēng)為光雷達，因為那時(shí)使用的光源均非激光。自激光發(fā)射器出現以來(lái)，激光作為高亮度、低發(fā)散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以現在的光雷達均使用激光發(fā)射器作光源，名稱(chēng)也就統稱(chēng)為激光雷達。激光雷達技術(shù)可以實(shí)現空間三維坐標的同步、快速、精確地獲取,再現客觀(guān)事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。

　　LiDAR系統根據載體的不同，分為星載、機載和地面三種模式。其中，星載和機載LiDAR多用于中、小比例尺地形測量，如1:50000、1:100000等地形圖繪制等；而地面LiDAR適合更精細、更高精度的復雜地物量測，如古建筑的三維城市建模、復雜場(chǎng)館測量、大比例尺DEM和地形圖的獲取等。

　　LiDAR的數據獲取特性，使其在“數字城市”建設、城市規劃、工程測量、古建修復等多個(gè)領(lǐng)域有了應用機會(huì )；同時(shí)，也為復雜、困難地區，如森林、沙漠、戈壁、雪山等，采用傳統測量方法獲取高精度的DEM和地形測量數據提供了高效、高精度的全新測量手段。

　　一、LiDAR的技術(shù)的起源與發(fā)展

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　　自Daguerre和Niepce在1839年拍攝第一張像片以來(lái)，由像片制作像片平面圖(X、Y)技術(shù)一直沿用至今。至荷蘭人Fourcade在1901年發(fā)明了攝影測量的立體觀(guān)測技術(shù)，使得由二維像片獲取地面三維數據(X、Y、Z)變?yōu)榭赡?。一百多年以?lái)，立體攝影測量仍是獲取地面三維數據最可靠和最精確的技術(shù)，是國家基本比例尺地形圖測繪的主要技術(shù)。

　?。ǘ┌l(fā)展

　　隨著(zhù)計算機及高新技術(shù)的出現，數字立體攝影測量技術(shù)也得到了逐步發(fā)展和成熟，相應的數據處理軟件和數字立體攝影測量工作站已經(jīng)在許多生產(chǎn)部門(mén)得到普及。但基本上，攝影測量的工作流程卻沒(méi)有太大的變化，如航空攝影-攝影處理-地面測量(空中三角測量)-立體測量-制圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本上沒(méi)有太大的變化。這種生產(chǎn)模式的周期太長(cháng)，已經(jīng)不適應當前信息社會(huì )的需要，也不能夠滿(mǎn)足“數字地球”對測繪的要求。

　　LiDAR測繪技術(shù)起源于1970年美國航天局（NASA）的技術(shù)研發(fā)。因全球定位系統（GPS）及慣性導航系統（INS）技術(shù)的發(fā)展，使得精確的即時(shí)定位及姿態(tài)確定成為了可能。1988到1993年期間，德國Stuttgart大學(xué)將激光掃描技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統相結合，形成了空載激光掃描儀（Ackermann-19）。此后，空載激光掃瞄儀的發(fā)展十分迅速，目前已有10多家生產(chǎn)空載激光掃瞄儀的廠(chǎng)商，超過(guò)30種型號（Baltsavias-1999）可供選擇。最初，研發(fā)空載激光掃瞄儀的目的是觀(guān)測多重反射（multiple echoes）的觀(guān)測值，測出地表及樹(shù)頂的高度模型。由于其精確的觀(guān)測成果及高度自動(dòng)化，空載激光掃瞄儀成為了主要的DEM生產(chǎn)工具。

　　二、LiDAR的基本原理

　　LiDAR系統是一種集全球定位系統(GPS)、 慣性導航系統(INS)和激光三種技術(shù)與一身的系統，可用于數據的獲取并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的集合，可高度、準確、快速地定位激光束打在物體上的光斑的位置。

　　激光本身具有非常準確的測距能力，其測距精度可達幾個(gè)厘米，而LiDAR系統的精確度取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU) 各自系統和三者同步等內在因素。隨著(zhù)GPS和IMU技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)LiDAR從移動(dòng)平臺上獲得高精度的數據已經(jīng)獲得成功并被廣泛應用。

　　LiDAR系統由一個(gè)單束窄帶激光發(fā)射器和一個(gè)接收系統構成。激光發(fā)射器產(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。接收器能夠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。由于光脈沖以光速傳播，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。根據光速是已知的，傳播時(shí)間可以被轉換為對距離的測量。結合從GPS得到的激光發(fā)射器的三維信息（X、Y、Z）和從INS得到的激光發(fā)射方向，我們可以準確地計算出每一個(gè)地面光斑點(diǎn)的坐標（x、y、z）。因為激光束發(fā)射的頻率可以每秒從幾個(gè)脈沖到幾萬(wàn)個(gè)脈沖，所以L(fǎng)iDAR系統可以在短時(shí)間內獲取大量的監測點(diǎn)信息。比如，一個(gè)頻率為每秒一萬(wàn)次脈沖的系統，接收器將會(huì )在一分鐘內記錄六十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，這是對傳統測量方法獲取測量點(diǎn)數不可比擬的優(yōu)勢。

　　機載LiDAR系統沿航線(xiàn)采集地面點(diǎn)三維數據之后，經(jīng)過(guò)數據處理軟件和工作站的解算，可生成LiDAR數據影像和地面高程模型DEM。系統也可以自動(dòng)調節航帶寬度，使其與航攝寬度精確相匹配。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，在不同的實(shí)地條件下， LiDAR系統的平面精度可達到0.15 至1米，高程精度可達到0.1米，間隔可達到2-12米。因此，機載LiDAR系統能快速、有效的為各種中、小比例尺數字制圖和GIS應用提供準確的地面模型數據。

　　同時(shí)，由于LiDAR系統是一種活動(dòng)裝置，激光脈沖受陰影和太陽(yáng)角度影響比較小，從而極大的提高了數據采集的質(zhì)量。與常規攝影測量相比，因其高程數據精度不受航高影響，LiDAR系統更具優(yōu)越性。LiDAR系統采用多光束返回采集高程，數據密度可達到常規攝影測量的三倍以上，很大程度上提高了正射影像糾正精度，最終能提供更加準確的數字高程模型DEM。LiDAR數據經(jīng)過(guò)地理信息系統軟件處理，可以直接與其它類(lèi)型要素或影像數據進(jìn)行合并，生產(chǎn)內容更加豐富的各類(lèi)專(zhuān)題地圖。

　　三、LiDAR的應用前景

　?。ㄒ唬┸娛骂I(lǐng)域方面的應用

　　LiDAR技術(shù)在軍事領(lǐng)域的主要用途是用于測量導彈、飛機、艦艇、坦克，甚至炮彈的運動(dòng)軌跡，起測量精度很高，足以保證這些武器裝備性能的充分發(fā)揮。

　?。ǘ﹪窠?jīng)濟建設方面的應用

　　LiDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟建設中如農業(yè)、水利電力設計、國土資源調查、城市規劃、公路鐵路設計、交通旅游與氣象環(huán)境調查等各大領(lǐng)域中可以得到廣泛應用。

　　1. 林業(yè)項目。根據LiDAR系統測得的數據，分析森林樹(shù)木的覆蓋率及覆蓋面積，進(jìn)一步了解樹(shù)木的疏密程度，包括年幼樹(shù)木覆蓋面積和年長(cháng)樹(shù)木的覆蓋面積，便于人們在茂盛森林中進(jìn)行適當地砍伐，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數據可以概算出樹(shù)木的種類(lèi)、平均高度和森林占地面積，及木材的數量，便于相關(guān)主管部門(mén)進(jìn)行宏觀(guān)調控。

　　2.水利項目。LiDAR技術(shù)應用于河流監控和治理，有著(zhù)極其重大的意義。通過(guò)LiDAR數據生成的DEM高程值可以用不同顏色表示，所以水利部門(mén)可以按某一高程值預設一顏色值渲染，便可直觀(guān)地看出水位淹沒(méi)的范圍，也可測算出水位到達這一高程時(shí)所淹沒(méi)的區域面積以及其造成的危害程度。因此，水利部門(mén)利用LiDAR技術(shù)可以進(jìn)行有效的水利工程設計，進(jìn)行河流水域的監控與治理和水災防治。

　　3．電力輸送項目。LiDAR技術(shù)極大地方便電網(wǎng)布設與維護管理工作。在進(jìn)行線(xiàn)路設計時(shí)，通過(guò)LiDAR數據可以了解到整個(gè)規劃線(xiàn)路設計區域內地形和地物要素的基本情況。尤其是在樹(shù)木密集處，可以估算出需要砍伐樹(shù)木的面積和木材的數量。此外，在電力線(xiàn)進(jìn)行搶修和維護時(shí)，根據電力線(xiàn)路上的LiDAR數據點(diǎn)及相應的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線(xiàn)路距離地面的高度，這樣就能快速找出事故節點(diǎn)，便于了搶修和維護。

　　4. 數字城市項目。利用高精度的LiDAR數字地面模型DEM 與GIS系統有機的結合，可以建立和完善“數字城市”系統的基礎地理信息庫，對城市里面的建筑、道路、橋梁等構筑物進(jìn)行數據的維護和及時(shí)更新。

　　5.交通管線(xiàn)設計項目。公路、鐵路等交通管線(xiàn)設計項目一般路線(xiàn)長(cháng)、工期緊、任務(wù)重，采用LiDAR技術(shù)結合傳統測量手段，可以快速為此類(lèi)線(xiàn)路工程設計提供高精度的大比例尺地形圖和地面高程模型DEM，為規劃、設計部門(mén)提供準確的基礎信息資料，為決策的指定提供可靠的依據。同時(shí)，施工過(guò)程中的土石方量計算也可以利用LiDAR數據計算得出。

　　結語(yǔ)

　　激光雷達技術(shù)(LiDAR)是近十年來(lái)快速發(fā)展并得到廣泛應用的測量手段，有著(zhù)常規測量方法和傳統航空攝影技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢：作業(yè)時(shí)間短，測量精度高，天氣影響小，作業(yè)安全，不受地形、地域限制，可同時(shí)測量地面和非地面層。因此，隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，無(wú)論是在軍事上還是民用上，LiDAR都將會(huì )有著(zhù)廣闊的發(fā)展前途。

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