激光雷達測量技術(shù)的進展與應(yīng)用

易 恒

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300201)

1 概述

激光雷達(Light Detection and Ranging，LiDAR)能快速獲取地表地物高度數(shù)據(jù)和淺水水域深度，是從21世紀60年代發(fā)展起來的一種先進的遙感測量技術(shù)。激光雷達根據(jù)傳感器搭載平臺的不同，可以分為地基、機載和星載激光雷達系統(tǒng)。無論哪種測量系統(tǒng)，原理上都是通過發(fā)射高重復(fù)頻率的激光脈沖和捕獲返回信號，通過時間差來計算地物的高度信息。

作為一種主動遙感測量手段，機載LiDAR受到了越來越多的重視。機載LiDAR具有機動性強、高效、實時的優(yōu)點，不易受到較迅速變化的氣候條件和光照、云層的影響，分辨率高，不需要或很少需要人進入測量現(xiàn)場，不需要大量地面控制點，作業(yè)安全。對于沼澤、濕地等危險地區(qū)和聲納技術(shù)難以測量的海岸沿線以及使用航空攝影測量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區(qū)，Li-DAR系統(tǒng)提供了一種直接高效的快速測量手段。德國測量局通過成本效益分析計算表明:用機載LiDAR技術(shù)實現(xiàn)測量的成本僅為航空攝影測量成本的25%～33%(Petzold，Reiss et al.1999;Mitasova，Mitas et al.2005)。地球地表地形復(fù)雜的山脊、溝谷、森林覆蓋地區(qū)、沙漠、濕地等眾多，而世界海洋中約有7×1 012 m2的深度在30 m以內(nèi)，使得機載LiDAR測量技術(shù)有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展前景。

2 激光雷達系統(tǒng)組成

根據(jù)雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式的不同，獲取的雷達數(shù)據(jù)有點云和波形兩種形式(見圖1)。波形記錄方式將返回的信號每間隔一定時間全部記錄下來，從而能完整地反映地物剖面信息。相反，點云記錄方式只是記錄特定的幾個返回信號，有可能丟失部分重要的垂直信息。由于受能量的限制，波形記錄的LiDAR一般都是大光斑，從10 m～70 m不等，近來也有一些小腳印光斑的波形記錄 LiDAR 問世(Wagner，Ullrich et al.2006;Wagner，Hollaus et al.2008)。最具有代表性的三個波形記錄 LiDAR是 SLICER(Scanning Lidar Imager of Canopies by Echo Recovery)，LVIS(Laser Vegetation Imaging Sensor)，GLAS(Geosciences Laser Altimeter System)。其中GLAS是星載激光雷達，于2009年停止工作。SLICER和LVIS是機載的，SLICER也已停用，LVIS是美國宇航局在發(fā)射搭載GLAS平臺的ICESAT衛(wèi)星之前用于機載測試使用，在美國和拉美有很多次飛行，其數(shù)據(jù)免費提供給全球用戶使用。

盡管波形記錄方式LiDAR有很多優(yōu)勢，但是在實際應(yīng)用中，點云數(shù)據(jù)同樣能滿足應(yīng)用需求。目前，激光傳感器的主要提供商有四家:Optech(http://www.optech.ca/)，Toposys(http://www.trimble.com/imaging/)，Leica(http://www.leica-geosystems.us/en/index.htm)和Riegl(http://www.riegl.com/)。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)儀器的具體參數(shù)，考慮飛行高度、飛行速度、掃描頻率、脈沖頻率、最大掃描視場角等參數(shù)設(shè)置。表1給出了常用的點云記錄LiDAR飛行技術(shù)參數(shù)。隨著20世紀以來激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，由于表1給出的這些傳感器自身的局限性，如較小的視場角對幅寬的限制等，一些新的傳感器呼之欲出，性能大大超過了之前這些傳感器。表2列出了一些新型的傳感器及其飛行技術(shù)參數(shù)。這些先進的商用激光傳感器為激光測繪提供了更高精度的數(shù)據(jù)。

表1 經(jīng)典LiDAR傳感器及其飛行參數(shù)

不管哪類激光傳感器，機載激光雷達系統(tǒng)都由三部分組成:激光器(Laser)，用于激光測距;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS，Inertial Navigation System)，用于記錄飛行平臺的傾斜、移動、偏航等姿態(tài)信息;衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如美國的GPS(Global Positioning System)，俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)，用于記錄位置信息。三大系統(tǒng)的結(jié)合為精確的計時和距離測量提供了技術(shù)支撐(Lefsky，Cohen et al.2002)。實際上，正是由于激光、慣性導(dǎo)航和全球定位技術(shù)的發(fā)展促成了激光雷達測高技術(shù)的迅猛發(fā)展(Lim，Treitz et al.2003)。

表2 新型LiDAR傳感器及其飛行參數(shù)

3 激光雷達技術(shù)應(yīng)用

伴隨著硬件和軟件的發(fā)展，激光雷達在各種領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用(Kotchenova，Song et al.2004;Hinsley，Hill et al.2006;Hopkinson，Popescu et al.2007;Wang and Philpot 2007)。其主要應(yīng)用于:地形制圖、城市三維制圖、道路工程建設(shè)、電力巡線、森林生態(tài)參數(shù)制圖等。

3.1 地形制圖

LiDAR在地形測圖方面的應(yīng)用非常廣泛。測圖界越來越達成一個共識，那就是LiDAR將成為獲取DEM(數(shù)字高程模型)和DTM(數(shù)字表面模型)的另一種選擇，它的垂直精度能夠達到15 cm～100 cm(Yang 2005)。天津市市政工程設(shè)計研究院在海南省文瓊高速公路項目中利用LiDAR技術(shù)完整地獲取了近100 km2測區(qū)的DEM和DTM，基本滿足了設(shè)計人員的數(shù)據(jù)需求，如圖2所示。

3.2 城市三維制圖

城市三維制圖被認為是激光雷達數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用之一(Murakami，Nakagawa et al.1999)。激光雷達所能產(chǎn)生的表面模型在城市數(shù)字正射影像的生成(Maas and Vosselman 1999)、三維建筑重建、城市建模和城市空氣污染研究等方面都有廣泛應(yīng)用(Sampath and Shan 2007;Sohn and Dowman 2007)。在城市三維制圖方面，研究的主要熱點包括城市數(shù)字高程模型提取，城市數(shù)字高程模型對提取地表特征信息如建筑物高度有直接影響，還能為城市規(guī)劃、洪水控制、旅游等提供信息(Cobby，Mason et al.2001;Webster，F(xiàn)orbes et al.2004;Raber，Jensen et al.2007)。如圖 3，圖 4 所示，用激光雷達數(shù)據(jù)生成的天津市市政工程設(shè)計研究院辦公樓周邊的三維可量測模型。

3.3 道路工程建設(shè)

通過激光雷達獲取的地面三維高程信息能夠使決策者對于道路規(guī)劃區(qū)域的環(huán)境有一個清晰的了解，在此基礎(chǔ)上進行道路的選線，土方工程量的估算以及周邊環(huán)境的風(fēng)險評估等(Toth and Grejner-Brzezinska 2006)。激光雷達方法較常規(guī)所采用的差分GPS、全站儀和攝影測量方法在性能價格上具有很大的優(yōu)勢，且效率大為提高(Clode，Rottensteiner et al.2007)。

3.4 電力巡線

美國、加拿大、西歐很多國家20世紀80年代以來開始把此項技術(shù)應(yīng)用到直升機電力巡線系統(tǒng)中(McLaughlin 2006)。一些大的電力營運公司利用激光雷達技術(shù)對電力線路通道走廊進行GPS定位、激光三維空間掃描，能準確測定通道走廊的三維空間圖像，給出定位尺寸，可用于線路勘測、老線路最新立體走向圖的繪制和線路對地安全距離的監(jiān)測，達到選線、建立線路微機臺站和防止樹枝碰線等目的。

3.5 森林生態(tài)參數(shù)制圖

激光雷達技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用，尤其是在林木高度測量和林分的垂直結(jié)構(gòu)信息獲取方面，國外已經(jīng)取得了大量成功的研究(Hill and Thomson 2005;Moffiet，Mengersen et al.2005;Wynne 2006;Naesset and Nelson 2007)。

4 結(jié)語

從世界上第一臺三維激光掃描儀的問世以來，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)走過了十幾年的歷程;它是繼GPS之后，測繪行業(yè)在技術(shù)上的又一次飛躍。在十幾年的發(fā)展歷程中，三維激光掃描技術(shù)無論是在硬件設(shè)施上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域上，都在快速不斷的向前發(fā)展。如今，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段，使我們從傳統(tǒng)的人工單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動數(shù)據(jù)獲取，不僅提高了觀測的精度和速度，而且使數(shù)據(jù)的獲取和處理朝智能化和自動化方向發(fā)展。

在西方發(fā)達國家，激光掃描甚至已經(jīng)成為一種主流的測繪方法——它已被60%的英國測量公司用于生成2D和3D的線性或幾何目標:如道路，建筑物，結(jié)構(gòu)體或其他幾何目標。激光雷達測量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將為設(shè)計人員提供更為精確的三維空間數(shù)據(jù)，并促進相關(guān)技術(shù)發(fā)展與進步。

［1］ Barbier，N.，C.Proisy，et al.(2011).“Bidirectional texture function of high resolution optical images of tropical forest:An approach using LiDAR hillshade simulations.”Remote Sensing of Environment，2008，115(1):167-179.

［2］ Clode，S.，F(xiàn).Rottensteiner，et al.(2007).“Detection and vectorization of roads from lidar data.”Photogrammetric Engineering and Remote Sensing，2009，73(5):517-535.

［3］ Kotchenova，S.Y.，X.D.Song，et al.(2004).“Lidar remote sensing for modeling gross primary production of deciduous fore-sts.”Remote Sensing of Environment，2009，92(2):158-172.

［4］ Lefsky，M.A.，W.B.Cohen，et al.(2002).“Lidar remote sensing for ecosystem studies.”Bioscience，2010，52(1):19-30.

［5］ Lim，K.，P.Treitz，et al.(2003).“LiDAR remote sensing of forest structure.”Progress in Physical Geography，2010，27(1):88-106.

［6］ Moffiet，T.，K.Mengersen，et al.(2005).“Airborne laser scanning:Exploratory data analysis indicates potential variables for classification of individual trees or forest stands according to species.”Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2009，59(5):289-309.

［7］ Toth，C.K.and D.Grejner-Brzezinska(2006).“Extracting dynamic spatial data from airborne imaging sensors to support traffic flow estimation.”Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，2010，61(3):137-148.

［8］ Wagner，W.，M.Hollaus，et al.(2008).“3D vegetation mapping using small-footprint full-waveform airborne laser scanners.”International Journal of Remote Sensing，2008，29(5):1433-1452.

［9］ Wang，C.K.and W.D.Philpot(2007).“Using airborne bathymetric lidar to detect bottom type variation in shallow waters.”Remote Sensing of Environment，2007，106(1):123-135.

［10］ Yang，X.J.(2005).“Use of LIDAR elevation data to construct a high-resolution digital terrain model for an estuarine marsh area.”International Journal of Remote Sensing，2009，26(23):5163-5166.