激光雷達LiDAR的起源、發(fā)展、原理及應用前景

發(fā)布日期：2018-06-01 00:00 瀏覽量：16280

　　前言

　　激光雷達是“光探測和測距“ LiDAR (Light Detection and Ranging) 的簡稱，最初稱為光雷達，因為那時使用的光源均非激光。自激光發(fā)射器出現(xiàn)以來，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(xiàn)在的光雷達均使用激光發(fā)射器作光源，名稱也就統(tǒng)稱為激光雷達。激光雷達技術可以實現(xiàn)空間三維坐標的同步、快速、精確地獲取,再現(xiàn)客觀事物的實時的、真實的形態(tài)特性,為快速獲取空間信息提供了簡單有效手段。

　　LiDAR系統(tǒng)根據(jù)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、復雜場館測量、大比例尺DEM和地形圖的獲取等。

　　LiDAR的數(shù)據(jù)獲取特性，使其在“數(shù)字城市”建設、城市規(guī)劃、工程測量、古建修復等多個領域有了應用機會；同時，也為復雜、困難地區(qū)，如森林、沙漠、戈壁、雪山等，采用傳統(tǒng)測量方法獲取高精度的DEM和地形測量數(shù)據(jù)提供了高效、高精度的全新測量手段。

　　一、LiDAR的技術的起源與發(fā)展

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　　自Daguerre和Niepce在1839年拍攝第一張像片以來，由像片制作像片平面圖(X、Y)技術一直沿用至今。至荷蘭人Fourcade在1901年發(fā)明了攝影測量的立體觀測技術，使得由二維像片獲取地面三維數(shù)據(jù)(X、Y、Z)變?yōu)榭赡?。一百多年以來，立體攝影測量仍是獲取地面三維數(shù)據(jù)最可靠和最精確的技術，是國家基本比例尺地形圖測繪的主要技術。

　　（二）發(fā)展

　　隨著計算機及高新技術的出現(xiàn)，數(shù)字立體攝影測量技術也得到了逐步發(fā)展和成熟，相應的數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)字立體攝影測量工作站已經(jīng)在許多生產(chǎn)部門得到普及。但基本上，攝影測量的工作流程卻沒有太大的變化，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)的模式基本上沒有太大的變化。這種生產(chǎn)模式的周期太長，已經(jīng)不適應當前信息社會的需要，也不能夠滿足“數(shù)字地球”對測繪的要求。

　　LiDAR測繪技術起源于1970年美國航天局（NASA）的技術研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)（GPS）及慣性導航系統(tǒng)（INS）技術的發(fā)展，使得精確的即時定位及姿態(tài)確定成為了可能。1988到1993年期間，德國Stuttgart大學將激光掃描技術與即時定位定姿系統(tǒng)相結(jié)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商，超過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測多重反射（multiple echoes）的觀測值，測出地表及樹頂?shù)母叨饶Ｐ?。由于其精確的觀測成果及高度自動化，空載激光掃瞄儀成為了主要的DEM生產(chǎn)工具。

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　　二、LiDAR的基本原理

　　LiDAR系統(tǒng)是一種集全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導航系統(tǒng)(INS)和激光三種技術與一身的系統(tǒng)，可用于數(shù)據(jù)的獲取并生成精確的DEM。這三種技術的集合，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厘米，而LiDAR系統(tǒng)的精確度取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU) 各自系統(tǒng)和三者同步等內(nèi)在因素。隨著GPS和IMU技術的快速發(fā)展，通過LiDAR從移動平臺上獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得成功并被廣泛應用。

　　LiDAR系統(tǒng)由一個單束窄帶激光發(fā)射器和一個接收系統(tǒng)構(gòu)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，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)射到被反射回來的傳播時間。由于光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個被反射回的脈沖。根據(jù)光速是已知的，傳播時間可以被轉(zhuǎn)換為對距離的測量。結(jié)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地面光斑點的坐標（x、y、z）。因為激光束發(fā)射的頻率可以每秒從幾個脈沖到幾萬個脈沖，所以LiDAR系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)獲取大量的監(jiān)測點信息。比如，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點，這是對傳統(tǒng)測量方法獲取測量點數(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

　　機載LiDAR系統(tǒng)沿航線采集地面點三維數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件和工作站的解算，可生成LiDAR數(shù)據(jù)影像和地面高程模型DEM。系統(tǒng)也可以自動調(diào)節(jié)航帶寬度，使其與航攝寬度精確相匹配。經(jīng)過實踐證明，在不同的實地條件下， LiDAR系統(tǒng)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(tǒng)能快速、有效的為各種中、小比例尺數(shù)字制圖和GIS應用提供準確的地面模型數(shù)據(jù)。

　　同時，由于LiDAR系統(tǒng)是一種活動裝置，激光脈沖受陰影和太陽角度影響比較小，從而極大的提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。與常規(guī)攝影測量相比，因其高程數(shù)據(jù)精度不受航高影響，LiDAR系統(tǒng)更具優(yōu)越性。LiDAR系統(tǒng)采用多光束返回采集高程，數(shù)據(jù)密度可達到常規(guī)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(shù)字高程模型DEM。LiDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過地理信息系統(tǒng)軟件處理，可以直接與其它類型要素或影像數(shù)據(jù)進行合并，生產(chǎn)內(nèi)容更加豐富的各類專題地圖。

　　三、LiDAR的應用前景

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　　LiDAR技術在軍事領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。

　　（二）國民經(jīng)濟建設方面的應用

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

　　1. 林業(yè)項目。根據(jù)LiDAR系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)，分析森林樹木的覆蓋率及覆蓋面積，進一步了解樹木的疏密程度，包括年幼樹木覆蓋面積和年長樹木的覆蓋面積，便于人們在茂盛森林中進行適當?shù)乜撤?，在林木稀疏或無植被區(qū)域進行樹木種植。另外，通過LiDAR數(shù)據(jù)可以概算出樹木的種類、平均高度和森林占地面積，及木材的數(shù)量，便于相關主管部門進行宏觀調(diào)控。

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

　　3．電力輸送項目。LiDAR技術極大地方便電網(wǎng)布設與維護管理工作。在進行線路設計時，通過LiDAR數(shù)據(jù)可以了解到整個規(guī)劃線路設計區(qū)域內(nèi)地形和地物要素的基本情況。尤其是在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材的數(shù)量。此外，在電力線進行搶修和維護時，根據(jù)電力線路上的LiDAR數(shù)據(jù)點及相應的地面裸露點的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就能快速找出事故節(jié)點，便于了搶修和維護。

　　4. 數(shù)字城市項目。利用高精度的LiDAR數(shù)字地面模型DEM 與GIS系統(tǒng)有機的結(jié)合，可以建立和完善“數(shù)字城市”系統(tǒng)的基礎地理信息庫，對城市里面的建筑、道路、橋梁等構(gòu)筑物進行數(shù)據(jù)的維護和及時更新。

　　5.交通管線設計項目。公路、鐵路等交通管線設計項目一般路線長、工期緊、任務重，采用LiDAR技術結(jié)合傳統(tǒng)測量手段，可以快速為此類線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(guī)劃、設計部門提供準確的基礎信息資料，為決策的指定提供可靠的依據(jù)。同時，施工過程中的土石方量計算也可以利用LiDAR數(shù)據(jù)計算得出。

　　結(jié)語

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

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