LIDAR技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

摘 要：機(jī)載LIDAR（Light Detection and Ranging）是一種無(wú)需任何或僅需少量的地面控制點(diǎn)的安裝在飛機(jī)上的激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，用于獲得高精度、高密度的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并構(gòu)建目標(biāo)物的三維立體模型。LIDAR具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)，可為獲取高分辨率地球空間信息提供一種全新的技術(shù)手段。本文簡(jiǎn)單介紹機(jī)載LIDAR的起源、系統(tǒng)組成、特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并對(duì)現(xiàn)在存在的問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述，總結(jié)其應(yīng)用領(lǐng)域，并對(duì)未來(lái)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：LIDAR；激光雷達(dá)

1 LIDAR技術(shù)簡(jiǎn)介

LIDAR技術(shù)是近二十年來(lái)攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域具有革命性的成就之一。隨著空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)獲取準(zhǔn)確可靠空間數(shù)據(jù)的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的攝影測(cè)量因?yàn)樯a(chǎn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、高程點(diǎn)獲取的密度低，已經(jīng)不能夠完全滿足當(dāng)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(shù)據(jù)的技術(shù)隨之孕育而生。

LIDAR系統(tǒng)根據(jù)載體的不同，分為機(jī)載LIDAR和地面LIDAR兩種模式。其中機(jī)載LIDAR多用于大比例尺地形測(cè)量，如地形圖繪制等；而地面LIDAR適合更精細(xì)、更高精度的復(fù)雜地物量測(cè)，如古建筑三維模型重建、復(fù)雜場(chǎng)館量測(cè)等。

LIDAR是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)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(shù)據(jù)，相比航拍數(shù)據(jù)和二維矢量數(shù)據(jù)，有著更高的高程精度，在獲取高精度DEM尤其是大比例尺的高精度DEM方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。

2 LIDAR系統(tǒng)概述

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

2.1 系統(tǒng)組成

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

2.2 LIDAR的測(cè)量原理

LIDAR系統(tǒng)中的激光測(cè)距儀包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。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(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回來(lái)的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}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(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。結(jié)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(zhǔn)確地計(jì)算出當(dāng)前的光束所對(duì)應(yīng)的地面光斑的（X，Y，Z）。一般激光束發(fā)射的頻率可以達(dá)到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。很多LIDAR系統(tǒng)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(xù)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(biāo)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(cè)量精度分析

激光具有非常精確的測(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米。而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素外，還取決于激光、GPS及慣性測(cè)量單元（IMU）三者同步等內(nèi)在因素。大多數(shù)內(nèi)在因素是已知的并可預(yù)測(cè)的。外在因素包括：飛行計(jì)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?yàn)橛蒅PS、IMU及激光器產(chǎn)生的誤差是可測(cè)知的，所以可以認(rèn)為L(zhǎng)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(shù)。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(jī)載LIDAR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達(dá)到0.15至1m，高程精度可達(dá)到10cm至30cm，地面分辨率甚至可達(dá)到厘米級(jí)。

3 LIDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程

LIDAR技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)中，其數(shù)據(jù)處理過(guò)程分為三部分，分別是預(yù)處理、后期處理、質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查需兩次，分別在預(yù)處理、后期處理結(jié)束后進(jìn)行。

3.1 LIDAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理

LIDAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理過(guò)程主要可以分為POS數(shù)據(jù)解算和生成三維點(diǎn)云兩個(gè)部分。POS數(shù)據(jù)解算就是提取出LIDAR系統(tǒng)的GPS數(shù)據(jù)和IMU數(shù)據(jù)和其他的輔助數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行差分?jǐn)M合，得到激光發(fā)射瞬間激光發(fā)射器的精確GPS坐標(biāo)；通過(guò)GPS定位數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和大氣校正、距離校正、掃描儀校正等參數(shù)，可以解算出每一個(gè)激光對(duì)應(yīng)的地面光斑的三維坐標(biāo)，生成后續(xù)處理需要的三維點(diǎn)云文件。

3.2 LIDAR數(shù)據(jù)的后期處理

LIDAR數(shù)據(jù)的后期處理是對(duì)與處理過(guò)的數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)的高程信息，區(qū)別定性分類，生成最終產(chǎn)品。這里的分類實(shí)際上是按照某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)高程信息區(qū)分該點(diǎn)是否是地表點(diǎn)。一般根據(jù)絕對(duì)高程或設(shè)定閾值來(lái)去除明顯的異常點(diǎn)，也可以根據(jù)其他的濾波算法進(jìn)行噪聲點(diǎn)濾除。根據(jù)多重回波性質(zhì)進(jìn)行植被分類，然后提取出地面點(diǎn)、建筑物上的點(diǎn)等，再?gòu)牡孛纥c(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(shù)據(jù)檢查

預(yù)處理的質(zhì)量控制就是將預(yù)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(dá)到要求。后期處理的質(zhì)量控制主要是檢查處理好的數(shù)據(jù)是否真實(shí)合理，是否按要求進(jìn)行了準(zhǔn)確的分類。

4 LIDAR系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 LIDAR系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與機(jī)載GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS以及CCD相機(jī)結(jié)合，能夠進(jìn)行精確的空間定位。由于采用激光測(cè)距方式，與常規(guī)的航空攝影測(cè)量相比，其數(shù)據(jù)獲取條件具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

同傳統(tǒng)的攝影測(cè)量相比，激光點(diǎn)云的地標(biāo)測(cè)量采集間距在0.8-1.2m之間，甚至更小，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，有效克服植被影響，更接近地面真實(shí)高程。激光雷達(dá)采用主動(dòng)測(cè)量方式，不依賴自然光，在因太陽(yáng)高度角、植被、山嶺等影響傳統(tǒng)航測(cè)方式無(wú)能為力的陰影地區(qū)，其獲取數(shù)據(jù)的精度完全不受影響。由于采用激光回波探測(cè)原理，LIDAR數(shù)據(jù)的高程精度和比例尺與測(cè)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(biāo)，需要布設(shè)的野外地面控制點(diǎn)相比于傳統(tǒng)的航測(cè)有很大的減少，這就減少了生產(chǎn)作業(yè)量，使航測(cè)制圖更加快捷。

4.2 LIDAR系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著計(jì)算技術(shù)以及GPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)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(cè)量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區(qū)，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(tǒng)不僅僅局限于獲取數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于城市三維模型的直接獲取、GIS數(shù)據(jù)獲取、高壓線監(jiān)測(cè)、林業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

LIDAR利用激光傳感器對(duì)地面進(jìn)行掃描，同時(shí)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位飛機(jī)姿態(tài)，再加上GPS觀測(cè)坐標(biāo)，還可以打開(kāi)LIDAR攜帶的數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空攝影，獲取相片數(shù)據(jù)。利用這些高精度的數(shù)據(jù)可以得到大范圍高精度的4D產(chǎn)品。

根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)，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(zhǎng)樹(shù)木的覆蓋面積和年幼樹(shù)木覆蓋面積。這就便于人們?cè)诿⑸种羞m當(dāng)砍伐樹(shù)木，在林木稀疏或無(wú)植被區(qū)域進(jìn)行樹(shù)木種植。另外，通過(guò)LIDAR數(shù)據(jù)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)行電力線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個(gè)線路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)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(hù)時(shí)，根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)和相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高程可以測(cè)算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護(hù)。

4.3 目前LIDAR系統(tǒng)存在的問(wèn)題

當(dāng)然LIDAR技術(shù)也有其不盡人意之處。例如LIDAR數(shù)據(jù)在密林及密集建筑區(qū)，由于激光雷達(dá)有多次回波，在數(shù)據(jù)濾波的時(shí)候不能得到滿意的地表信息數(shù)據(jù)。這種地區(qū)的數(shù)字地面模型，仍只能采用普通方法獲取。

在LIDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，因?yàn)長(zhǎng)IDAR是由多種設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其獲取的數(shù)據(jù)也有很多種，信息獲取時(shí)的數(shù)據(jù)流程也比較復(fù)雜。目前原始數(shù)據(jù)的獲取和激光腳點(diǎn)坐標(biāo)解算、精度控制等都由硬件生產(chǎn)廠家在提供原始數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行的，但因?yàn)橛脩舨煌麄儗?duì)數(shù)據(jù)的要求也不同，有時(shí)硬件廠家提供的數(shù)據(jù)不滿足要求。所以迫切需要算法豐富、功能完備的LIDAR數(shù)據(jù)處理平臺(tái)來(lái)滿足不同用戶和應(yīng)用的需求。此外，LIDAR系統(tǒng)定位的基本原理是測(cè)角和測(cè)邊，而激光雷達(dá)系統(tǒng)的掃描帶寬是有限的，那么在進(jìn)行大面積測(cè)量時(shí)，必須飛行多條航帶才可以覆蓋待測(cè)區(qū)域，而且航帶間要保持一定的旁向重疊度。由于存在著系統(tǒng)定位和姿態(tài)測(cè)量誤差，那么在旁向重疊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)高程相對(duì)漂移。在LIDAR數(shù)據(jù)中，很難判讀同名點(diǎn)，也就無(wú)法找到重疊區(qū)域的聯(lián)系點(diǎn)，這使得傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理中對(duì)重疊區(qū)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(dá)直接獲取點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，但忽略了反映對(duì)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(dá)數(shù)據(jù)有其自身的優(yōu)勢(shì)，但圖像數(shù)據(jù)包含光譜信息對(duì)認(rèn)識(shí)主題也具有重要的作用。目前一般在LIDAR上都集成有數(shù)碼相機(jī)作為光譜信息的補(bǔ)充。此外，由于遮擋、物體特性等因素，數(shù)據(jù)集中往往會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有數(shù)據(jù)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(dá)技術(shù)掃描角度有限，對(duì)光照度不敏感，因而受陰影影響相對(duì)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(xiàn)象。這種現(xiàn)象帶來(lái)的一個(gè)直接問(wèn)題是位于數(shù)據(jù)縫隙的內(nèi)插點(diǎn)（高程）數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中判斷是否存在這些縫隙，并采取相應(yīng)的處理。

5 展望

機(jī)載LIDAR技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精度獲取的國(guó)際領(lǐng)先的空間技術(shù)，在采集地標(biāo)數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量所無(wú)法比擬的巨大優(yōu)勢(shì)。三維激光雷達(dá)技術(shù)是高精度逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)的革命，是進(jìn)行大區(qū)域空間監(jiān)測(cè)的利器。隨著技術(shù)的成熟，LIDAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)會(huì)得到改進(jìn)，激光雷達(dá)的應(yīng)用領(lǐng)域和深度也會(huì)日益拓寬和加深。

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※基金項(xiàng)目：湖南省國(guó)土資源廳軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：2012-30。