機載激光雷達(Lidar)的優(yōu)勢與發(fā)展前景

　　機載激光雷達技術(shù)在各個(gè)方面迅速發(fā)展，相對于其它航空遙感技術(shù)，機載激光雷達技術(shù)是航空遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。但目前機載激光雷達數據主要應用于基礎測繪、三維城市建模和林業(yè)應用、鐵路、電力等。LiDAR 技術(shù)的研究和應用飛速發(fā)展，國外陸續研發(fā)并生產(chǎn)出商用LiDAR 系統占領(lǐng)了大量市場(chǎng)。常見(jiàn)的商業(yè)激光雷達系統主要有Leica公司的ALS80-HA 系統、Optech 公司的ALTMS 系統、Saab 公司的TopEye 系統、Riegl 公司的LMS-Q 系列系統等。我國近年來(lái)LiDAR 事業(yè)發(fā)展也較快，能生產(chǎn)一些實(shí)用性的LiDAR 設備，LiDAR 技術(shù)的實(shí)踐應用也不斷拓展和深入。

機載激光雷達樣式

　　1 機載激光雷達技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢

　　激光雷達技術(shù)作為一種新興的測繪探測技術(shù)，和其他測繪探測技術(shù)手段相比，具有一定優(yōu)勢。

　　1)激光雷達技術(shù)是一種主動(dòng)式測繪地表空間信息的技術(shù)手段。

　　測繪探測技術(shù)手段總體來(lái)說(shuō)可以分為兩大類(lèi)：主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式測繪探測技術(shù)獲取的信息來(lái)自于目標反射的電磁波信息(如太陽(yáng)光)或者目標自身輻射的電磁波信息，此類(lèi)型的測量技術(shù)手段受天氣、光照等自然條件的影響和制約。機載激光雷達技術(shù)屬于主動(dòng)式探測手段，通過(guò)主動(dòng)發(fā)射激光脈沖，獲取探測目標反射回來(lái)的信號并處理得到地表目標的空間信息。因此，機載激光雷達技術(shù)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。例如在汶川地震中，機載激光雷達技術(shù)就在惡劣復雜的環(huán)境中獲取了高精度的地面空間信息。

機載激光雷達掃描樣式

　　2)機載激光雷達技術(shù)獲取空間信息的速度快，效率高，作業(yè)安全。

　　機載激光雷達技術(shù)通過(guò)飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，能在短時(shí)間內獲取大區域、大范圍的地表空間信息，工作效率較高。和傳統的人工測量的技術(shù)手段相比，極大地減少了工作量，縮短了外業(yè)測量的時(shí)間，提高了探測工作的效率。利用無(wú)人機等飛行器進(jìn)行探測，可以對很多較為危險的區域進(jìn)行探測，使得作業(yè)的安全性得以保障。這些優(yōu)勢在電力巡線(xiàn)中有很好的應用。

　　3)機載激光雷達發(fā)射的激光脈沖對于植被具有一定的穿透作用。

　　在對森林等區域進(jìn)行探測時(shí)，存在著(zhù)樹(shù)木等植被的枝葉遮擋的情況，這對探測的結果會(huì )有較大的影響。機載激光雷達技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，獲取森林地區的真實(shí)地形數據。

　　4)機載激光雷達技術(shù)獲取的數據精度較高。

　　探測技術(shù)獲取的數據的精度，是評價(jià)該技術(shù)的重要方面和指標。機載激光雷達技術(shù)能快速獲取大范圍區域的地面目標的空間坐標，獲取的坐標具有較高的精度，保證了數據的可用性。在 1 km 的飛行高度下，機載 LiDAR 所獲取的點(diǎn)云數據的高程精度可以達到15~20 cm，平面精度可以達到 30~100 cm。

　　5)機載激光雷達技術(shù)提供的信息較為豐富。

　　機載激光雷達技術(shù)不僅能夠解算地面目標的三維空間坐標，同時(shí)可以記錄地面目標的強度信息，部分LiDAR系統還能夠記錄回波次數信息。豐富的信息為L(cháng)iDAR數據的使用提供了更多的可能性。強度信息和地面目標的反射率密切相關(guān)，不同物體具有不同的反射特性，將強度信息和三維坐標信息結合使用，可以用于對探測目標進(jìn)行識別和分類(lèi)?；夭ù螖敌畔⑼瑯右部梢宰鳛橐环N輔助信息來(lái)使用。機載激光雷達技術(shù)能夠提供豐富的信息，這也是LiDAR 技術(shù)的一大特點(diǎn)和優(yōu)勢。部分學(xué)者綜合使用LiDAR 設備采集的多種信息，取得了很好的效果。不同測繪探測技術(shù)的性能對比如表1。

　　表1 各種探測技術(shù)的對比[14]

　　激光雷達技術(shù)也存在著(zhù)一定的不足，主要包括以下幾個(gè)方面：

　　1)機載激光雷達技術(shù)采集的數據具有一定的盲目性。

　　雖然LiDAR 技術(shù)能夠獲取大量的采樣數據，但其數據采集具有一定的盲目性，發(fā)射的激光點(diǎn)束不一定會(huì )打在關(guān)鍵的地形點(diǎn)上，可能導致關(guān)鍵地形點(diǎn)信息的缺失。而且，當發(fā)射的激光點(diǎn)束打在飛鳥(niǎo)、行人或者深井上，會(huì )造成點(diǎn)云數據出現粗差，因此在使用點(diǎn)云數據前，必須要進(jìn)行粗差的探測與剔除。

　　2)機載激光雷達技術(shù)比較復雜，專(zhuān)業(yè)性強。

　　機載激光雷達是一種集成的設備，包含諸多先進(jìn)的技術(shù)設備，如果沒(méi)有相應的技術(shù)能力，將無(wú)法合理操作。

　　3)機載激光雷達數據產(chǎn)品比較少。

　　目前機載激光雷達的產(chǎn)品比較單一，沒(méi)有充分發(fā)揮LiDAR 點(diǎn)云數據的優(yōu)勢，在具體的行業(yè)應用中，經(jīng)常需要專(zhuān)門(mén)設計對應的產(chǎn)品類(lèi)型、指標和流程，程序比較繁瑣，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩定。

　　2 機載激光雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢及應用前景

　　2.1 發(fā)展趨勢

　　LiDAR 技術(shù)是新興的測繪技術(shù)，未來(lái)仍有很大的發(fā)展潛力。機載LiDAR 技術(shù)會(huì )朝著(zhù)獲取多源數據、處理多源數據、生產(chǎn)多樣數據產(chǎn)品方向發(fā)展，主要體現在硬件系統和軟件系統兩大方面。

　　硬件方面，當前的機載LiDAR 系統的硬件設備型號多樣，不同廠(chǎng)商提供了豐富多樣的LiDAR 硬件系統。LiDAR 系統的軟件發(fā)展主要體現在數據獲取方面。為滿(mǎn)足生產(chǎn)實(shí)際的需求，機載LiDAR 硬件系統需要往多平臺、多型號、多傳感器、多波束的方向發(fā)展。

　　1)機載LiDAR 硬件系統的平臺趨于多樣化，比如無(wú)人機搭載的LiDAR 系統就受到很多單位和研究人員的關(guān)注。

　　2)單一型號的硬件系統很難滿(mǎn)足實(shí)際的探測需求，適應不同探測條件的多型號LiDAR 系統正逐步發(fā)展起來(lái)。

　　3)多傳感器的LiDAR 系統具有更優(yōu)的探測能力。

　　4)傳統的LiDAR 系統主要針對陸地地表信息采集所用，其波長(cháng)位于近紅外附近。隨著(zhù)用戶(hù)實(shí)際需求的不斷擴大，機載LiDAR 系統不僅能夠探測陸地地表信息，還應該能夠滿(mǎn)足對非陸地，比如水域等的探測需求。探測不同類(lèi)型區域目標應采用合適的探測波段，因此機載LiDAR 系統會(huì )朝著(zhù)多波束方向發(fā)展[16]。

　　軟件方面，當前的機載LiDAR 系統的處理軟件也比較多，但相對于硬件系統而言是落后的。機載LiDAR 系統的軟件主要用于處理LiDAR 數據，并生產(chǎn)多類(lèi)型的數據產(chǎn)品。就此而言，LiDAR 系統的軟件發(fā)展主要體現在以下兩方面：

　　1)數據處理方面。

　　LiDAR 系統具有全天時(shí)的數據獲取能力，而且效率高、速度快。面對不同LiDAR 系統獲取的多時(shí)相、多氣候條件下的海量數據，軟件系統的發(fā)展應該不斷提高其處理數據的速度，提高其處理不同類(lèi)型數據的能力。

　　2)數據產(chǎn)品方面。

　　LiDAR 的軟件系統不僅要能夠快速高效地處理多類(lèi)型數據，還要根據實(shí)際的需求，生產(chǎn)出滿(mǎn)足應用需求的數據產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當前的LiDAR 軟件系統能夠提供一些滿(mǎn)足實(shí)際需求的產(chǎn)品，但仍需要從理論和實(shí)踐中探究數據處理的算法，提高數據產(chǎn)品的精度。

　　機載LiDAR 技術(shù)目前已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。作為一種高效高精度的測繪探測技術(shù)，機載LiDAR 技術(shù)會(huì )朝著(zhù)獲取多源數據、處理多源數據、生產(chǎn)多樣數據產(chǎn)品方向發(fā)展，這對LiDAR 的硬件系統和軟件系統都有一定的要求。

機載激光雷達的詳細技術(shù)參數

　　2.2 應用前景

　　1)機載激光雷達在測繪行業(yè)的應用前景。

　　機載LiDAR 硬件的發(fā)展，出現了平臺多樣化、型號多樣化的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足大比例尺地圖測繪、工程測量、變形監測等不同測繪行業(yè)的各種需求;而軟件方面，數據處理速度的提升、數據處理量的增加、數據產(chǎn)品類(lèi)型的豐富，將為測繪行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益。

　　2)機載激光雷達在林業(yè)的應用前景。

　　隨著(zhù)機載LiDAR 技術(shù)獲取多源數據、處理多源數據能力提升，及其可直接獲得單株木的位置、樹(shù)高和冠幅這3 個(gè)垂直結構參數的特點(diǎn)，使得樹(shù)種識別得到了一定程度的提高，而森林樹(shù)種的精細識別是森林碳儲量估算、森林生物多樣性等研究的基礎，因此，機載LiDAR 的發(fā)展對于我國林業(yè)的發(fā)展也有質(zhì)的提升[18]。

　　3)機載激光雷達在水利行業(yè)的應用前景。

　　機載LiDAR 數據產(chǎn)品豐富、自動(dòng)化程度高、獲取數據精度高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢，在水利樞紐工程中得到了較好的應用，可減小外業(yè)調查的工作量，提高工作效率、降低生產(chǎn)成品;無(wú)人機機載LiDAR 系統更可在防汛抗旱、搶險救災、水土保持監管、河道監管、凍土監測、山洪災害調查、水溫分析等水利行業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應用，具有較好的應用前景。

      飛燕空遙感擁有兩臺機載激光雷達(RIEGL VQ-1560i 機載激光雷達測量系統)應用于高密度點(diǎn)云測圖及超大面積測繪的全波形數字化雙激光發(fā)射器機載激光雷達系統。