LIDAR技術的(de)介紹及特點

發布日期：2018-05-31 00:00 浏覽量：12008

　　1、 LIDAR技術簡介

　　LIDAR技術是近二十年來(lái)攝影(yǐng)測量與遙感領域具有革命性的(de)成就之一。随著(zhe)空間數據應用(yòng)領域的(de)不斷擴大(dà)，對(duì)獲取準确可(kě)靠空間數據的(de)要求也(yě)越來(lái)越高(gāo)。傳統的(de)攝影(yǐng)測量因爲生産周期長(cháng)、費用(yòng)高(gāo)、高(gāo)程點獲取的(de)密度低，已經不能夠完全滿足當前信息社會的(de)需要。LIDAR作爲一種能夠快(kuài)速精确地獲取地面三維數據的(de)技術随之孕育而生。

　　LIDAR系統根據載體的(de)不同，分(fēn)爲機載LIDAR和(hé)地面LIDAR兩種模式。其中機載LIDAR多(duō)用(yòng)于大(dà)比例尺地形測量，如地形圖繪制等；而地面LIDAR适合更精細、更高(gāo)精度的(de)複雜(zá)地物(wù)量測，如古建築三維模型重建、複雜(zá)場(chǎng)館量測等。

　　LIDAR是一種集激光(guāng)、全球定位系統（GPS）和(hé)慣性導航系統（INS）三種技術于一身的(de)系統。這(zhè)三種技術的(de)結合，可(kě)以高(gāo)度準确地定位激光(guāng)束搭載物(wù)體上的(de)光(guāng)斑。它能快(kuài)速獲取地表點三維數據，相比航拍(pāi)數據和(hé)二維矢量數據，有著(zhe)更高(gāo)的(de)高(gāo)程精度，在獲取高(gāo)精度DEM尤其是大(dà)比例尺的(de)高(gāo)精度DEM方面有著(zhe)很大(dà)的(de)優勢。

　　2、 LIDAR系統概述

　　LIDAR是英文LIGHT DETECTION AND RANGING的(de)首字母組合，即激光(guāng)探測及測距系統。它是采用(yòng)單個(gè)激光(guāng)脈沖量測從激光(guāng)源到目标，再回到激光(guāng)接收器的(de)時(shí)間，同時(shí)結合飛(fēi)機上傳感器定位、定向數據，精确量測出被動物(wù)體（目标）的(de)三維坐(zuò)标。

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　　2.1 系統組成

　　機載LIDAR系統主要包括：激光(guāng)測距儀，用(yòng)于測量傳感器到地面點的(de)距離；高(gāo)精度觀星測量系統（IMU），用(yòng)于測量掃描裝置主光(guāng)軸的(de)空間姿态參數；基于差分(fēn)技術的(de)全球定位系統（GPS），用(yòng)于确定掃描中心的(de)空間位置；高(gāo)分(fēn)辨率數碼相機，用(yòng)于獲取對(duì)應地面的(de)彩色數碼影(yǐng)像，最終制作正射影(yǐng)像。

　　2.2 LIDAR的(de)測量原理(lǐ)

　　LIDAR系統中的(de)激光(guāng)測距儀包括一個(gè)單束窄帶激光(guāng)器和(hé)一個(gè)接收系統。激光(guāng)器産生并發射一束光(guāng)脈沖，打在物(wù)體上并反射回來(lái)，最終被接收器所接收。接收器準确地測量光(guāng)脈沖從發射到被反射回來(lái)的(de)傳播時(shí)間。因爲光(guāng)脈沖以光(guāng)速傳播，所以接收器總會在下(xià)一個(gè)脈沖發出之前收到前一個(gè)被反射回的(de)脈沖。由于光(guāng)速是已知的(de)，傳播時(shí)間就可(kě)以被轉換爲對(duì)距離的(de)測量。結合激光(guāng)器的(de)高(gāo)度，激光(guāng)掃描的(de)角度，從GPS得(de)到的(de)激光(guāng)器的(de)位置和(hé)從INS得(de)到的(de)激光(guāng)發射方向，就可(kě)以準确地計算(suàn)出當前的(de)光(guāng)束所對(duì)應的(de)地面光(guāng)斑的(de)（X，Y，Z）。一般激光(guāng)束發射的(de)頻(pín)率可(kě)以達到每秒幾萬個(gè)脈沖。很多(duō)LIDAR系統還(hái)能記錄同一脈沖的(de)多(duō)次反射，激光(guāng)束可(kě)能先打在樹冠的(de)頂端，其中的(de)一部繼續向下(xià)打在更多(duō)的(de)樹葉或枝幹上，有些甚至打在地面上被返回，這(zhè)樣就會有一組多(duō)次返回的(de)具有X、Y、Z坐(zuò)标的(de)點記錄，并分(fēn)層表示。利用(yòng)這(zhè)個(gè)特點，我們可(kě)以通(tōng)過分(fēn)類和(hé)濾波處理(lǐ)，獲取地面高(gāo)程以及樹高(gāo)及建築物(wù)的(de)高(gāo)度等信息。

　　2.3 測量精度分(fēn)析

　　激光(guāng)具有非常精确的(de)測距能力，其測距精度可(kě)達幾個(gè)厘米。而LIDAR系統的(de)精确度除了(le)激光(guāng)本身因素外，還(hái)取決于激光(guāng)、GPS及慣性測量單元（IMU）三者同步等内在因素。大(dà)多(duō)數内在因素是已知的(de)并可(kě)預測的(de)。外在因素包括：飛(fēi)行計劃、飛(fēi)行條件、大(dà)氣環境的(de)影(yǐng)響、地形起伏以及植被的(de)覆蓋等等。因爲由GPS、IMU及激光(guāng)器産生的(de)誤差是可(kě)測知的(de)，所以可(kě)以認爲LIDAR所獲得(de)的(de)點集（X，Y，Z）是一個(gè)描述地形和(hé)植被覆蓋情況的(de)函數。在理(lǐ)想的(de)點陣密度下(xià)，反射點的(de)精度就是DEM精度。利用(yòng)機載LIDAR系統進行測高(gāo)作業，根據不同的(de)航高(gāo)，其平面精度可(kě)以達到0.15至1m，高(gāo)程精度可(kě)達到10cm至30cm，地面分(fēn)辨率甚至可(kě)達到厘米級。

　　3、 LIDAR系統的(de)數據處理(lǐ)過程

　　LIDAR技術應用(yòng)在生産中，其數據處理(lǐ)過程分(fēn)爲三部分(fēn)，分(fēn)别是預處理(lǐ)、後期處理(lǐ)、質量檢查。質量檢查需兩次，分(fēn)别在預處理(lǐ)、後期處理(lǐ)結束後進行。

　　3.1 LIDAR數據的(de)預處理(lǐ)

　　LIDAR數據的(de)預處理(lǐ)過程主要可(kě)以分(fēn)爲POS數據解算(suàn)和(hé)生成三維點雲兩個(gè)部分(fēn)。POS數據解算(suàn)就是提取出LIDAR系統的(de)GPS數據和(hé)IMU數據和(hé)其他(tā)的(de)輔助數據，通(tōng)過對(duì)GPS數據進行差分(fēn)拟合，得(de)到激光(guāng)發射瞬間激光(guāng)發射器的(de)精确GPS坐(zuò)标；通(tōng)過GPS定位數據、IMU數據和(hé)其他(tā)輔助數據進行聯合解算(suàn)，得(de)到精确的(de)六個(gè)外方位元素。利用(yòng)POS解算(suàn)數據和(hé)大(dà)氣校正、距離校正、掃描儀校正等參數，可(kě)以解算(suàn)出每一個(gè)激光(guāng)對(duì)應的(de)地面光(guāng)斑的(de)三維坐(zuò)标，生成後續處理(lǐ)需要的(de)三維點雲文件。

　　3.2 LIDAR數據的(de)後期處理(lǐ)

　　LIDAR數據的(de)後期處理(lǐ)是對(duì)與處理(lǐ)過的(de)數據依據數據的(de)高(gāo)程信息，區(qū)别定性分(fēn)類，生成最終産品。這(zhè)裏的(de)分(fēn)類實際上是按照(zhào)某一點的(de)數據高(gāo)程信息區(qū)分(fēn)該點是否是地表點。一般根據絕對(duì)高(gāo)程或設定阈值來(lái)去除明(míng)顯的(de)異常點，也(yě)可(kě)以根據其他(tā)的(de)濾波算(suàn)法進行噪聲點濾除。根據多(duō)重回波性質進行植被分(fēn)類，然後提取出地面點、建築物(wù)上的(de)點等，再從地面點中抽取一定密度的(de)點來(lái)建立地表面高(gāo)程模型。

　　3.3 數據檢查

　　預處理(lǐ)的(de)質量控制就是将預處理(lǐ)過程中生成的(de)點雲文件和(hé)說明(míng)文件進行檢查，檢查處理(lǐ)過程是否正确，精度是否達到要求。後期處理(lǐ)的(de)質量控制主要是檢查處理(lǐ)好的(de)數據是否真實合理(lǐ)，是否按要求進行了(le)準确的(de)分(fēn)類。

　　4、 LIDAR系統的(de)發展現狀

　　4.1 LIDAR系統的(de)特點

　　機載激光(guāng)雷達系統與機載GPS、慣性導航系統INS以及CCD相機結合，能夠進行精确的(de)空間定位。由于采用(yòng)激光(guāng)測距方式，與常規的(de)航空攝影(yǐng)測量相比，其數據獲取條件具有獨特優勢。

　　同傳統的(de)攝影(yǐng)測量相比，激光(guāng)點雲的(de)地标測量采集間距在0.8-1.2m之間，甚至更小，數據密度極大(dà)，非常有利于真實地面高(gāo)程模型的(de)獲取。由于激光(guāng)具有多(duō)次回波特性，任一束激光(guāng)穿越植被空隙時(shí)，可(kě)以返回葉面、枝桠、地面等多(duō)個(gè)高(gāo)程數據，有效克服植被影(yǐng)響，更接近地面真實高(gāo)程。激光(guāng)雷達采用(yòng)主動測量方式，不依賴自然光(guāng)，在因太陽高(gāo)度角、植被、山嶺等影(yǐng)響傳統航測方式無能爲力的(de)陰影(yǐng)地區(qū)，其獲取數據的(de)精度完全不受影(yǐng)響。由于采用(yòng)激光(guāng)回波探測原理(lǐ)，LIDAR數據的(de)高(gāo)程精度和(hé)比例尺與測量時(shí)的(de)航高(gāo)無關。采集的(de)每個(gè)地面點都帶有真實三維坐(zuò)标，需要布設的(de)野外地面控制點相比于傳統的(de)航測有很大(dà)的(de)減少，這(zhè)就減少了(le)生産作業量，使航測制圖更加快(kuài)捷。

　　4.2 LIDAR系統的(de)應用(yòng)

　　随著(zhe)計算(suàn)技術以及GPS技術的(de)進一步發展和(hé)應用(yòng)，LIDAR技術經過近20年的(de)發展，其技術已經完全成熟。在使用(yòng)攝影(yǐng)測量方法獲取地形模型有困難的(de)森林(lín)和(hé)沙漠地區(qū)，LIDAR技術提供了(le)一種直接獲取地形表面模型的(de)有效手段。通(tōng)過與影(yǐng)像以及信息的(de)融合，LIDAR系統不僅僅局限于獲取數字高(gāo)程模型數據等傳統的(de)應用(yòng)領域，而且廣泛應用(yòng)于城(chéng)市三維模型的(de)直接獲取、GIS數據獲取、高(gāo)壓線監測、林(lín)業監測等領域。

　　LIDAR利用(yòng)激光(guāng)傳感器對(duì)地面進行掃描，同時(shí)利用(yòng)慣性導航系統實時(shí)定位飛(fēi)機姿态，再加上GPS觀測坐(zuò)标，還(hái)可(kě)以打開LIDAR攜帶的(de)數碼相機進行航空攝影(yǐng)，獲取相片數據。利用(yòng)這(zhè)些高(gāo)精度的(de)數據可(kě)以得(de)到大(dà)範圍高(gāo)精度的(de)4D産品。

　　根據LIDAR數據，可(kě)以分(fēn)析森林(lín)樹木(mù)的(de)覆蓋率和(hé)覆蓋面積，了(le)解樹木(mù)的(de)疏密程度、年長(cháng)樹木(mù)的(de)覆蓋面積和(hé)年幼樹木(mù)覆蓋面積。這(zhè)就便于人(rén)們在茂盛森林(lín)中适當砍伐樹木(mù)，在林(lín)木(mù)稀疏或無植被區(qū)域進行樹木(mù)種植。另外，通(tōng)過LIDAR數據可(kě)以概算(suàn)出森林(lín)占地面積和(hé)樹木(mù)的(de)平均高(gāo)度，以及木(mù)材量的(de)多(duō)少，便于相關部門進行決策。

　　在進行電力線路設計時(shí)，通(tōng)過LIDAR數據可(kě)以了(le)解整個(gè)線路設計區(qū)域内的(de)地形和(hé)地物(wù)要素的(de)情況。尤其是在樹木(mù)密集處，可(kě)以估算(suàn)出需要砍伐樹木(mù)的(de)面積和(hé)木(mù)材量。在進行電力搶修和(hé)維護時(shí)，根據電力線路上的(de)LIDAR數據和(hé)相應的(de)地面裸露點的(de)高(gāo)程可(kě)以測算(suàn)出任意一處線路距離地面的(de)高(gāo)度，這(zhè)樣就可(kě)以便于搶修和(hé)維護。

　　4.3 目前LIDAR系統存在的(de)問題

　　當然LIDAR技術也(yě)有其不盡人(rén)意之處。例如LIDAR數據在密林(lín)及密集建築區(qū)，由于激光(guāng)雷達有多(duō)次回波，在數據濾波的(de)時(shí)候不能得(de)到滿意的(de)地表信息數據。這(zhè)種地區(qū)的(de)數字地面模型，仍隻能采用(yòng)普通(tōng)方法獲取。

　　在LIDAR數據預處理(lǐ)階段，因爲LIDAR是由多(duō)種設備組成的(de)複雜(zá)系統，其獲取的(de)數據也(yě)有很多(duō)種，信息獲取時(shí)的(de)數據流程也(yě)比較複雜(zá)。目前原始數據的(de)獲取和(hé)激光(guāng)腳點坐(zuò)标解算(suàn)、精度控制等都由硬件生産廠家在提供原始數據時(shí)進行的(de)，但因爲用(yòng)戶不同，他(tā)們對(duì)數據的(de)要求也(yě)不同，有時(shí)硬件廠家提供的(de)數據不滿足要求。所以迫切需要算(suàn)法豐富、功能完備的(de)LIDAR數據處理(lǐ)平台來(lái)滿足不同用(yòng)戶和(hé)應用(yòng)的(de)需求。此外，LIDAR系統定位的(de)基本原理(lǐ)是測角和(hé)測邊，而激光(guāng)雷達系統的(de)掃描帶寬是有限的(de)，那麽在進行大(dà)面積測量時(shí)，必須飛(fēi)行多(duō)條航帶才可(kě)以覆蓋待測區(qū)域，而且航帶間要保持一定的(de)旁向重疊度。由于存在著(zhe)系統定位和(hé)姿态測量誤差，那麽在旁向重疊區(qū)域會出現高(gāo)程相對(duì)漂移。在LIDAR數據中，很難判讀同名點，也(yě)就無法找到重疊區(qū)域的(de)聯系點，這(zhè)使得(de)傳統航空攝影(yǐng)測量數據處理(lǐ)中對(duì)重疊區(qū)域的(de)誤差消除和(hé)平差的(de)算(suàn)法不能使用(yòng)，因此必須研究新的(de)拼接模型。

　　激光(guāng)雷達直接獲取點位的(de)三維坐(zuò)标，但忽略了(le)反映對(duì)象特征的(de)其他(tā)信息，如光(guāng)譜信息。盡管在提取空間位置信息上，激光(guāng)雷達數據有其自身的(de)優勢，但圖像數據包含光(guāng)譜信息對(duì)認識主題也(yě)具有重要的(de)作用(yòng)。目前一般在LIDAR上都集成有數碼相機作爲光(guāng)譜信息的(de)補充。此外，由于遮擋、物(wù)體特性等因素，數據集中往往會出現沒有數據的(de)部分(fēn)（縫隙），一個(gè)明(míng)顯的(de)例子是“陰影(yǐng)”。作爲一種主動式信息獲取技術，激光(guāng)雷達技術掃描角度有限，對(duì)光(guāng)照(zhào)度不敏感，因而受陰影(yǐng)影(yǐng)響相對(duì)較小。但位于掃描帶邊緣的(de)建築物(wù)等仍然會産生遮擋的(de)現象。這(zhè)種現象帶來(lái)的(de)一個(gè)直接問題是位于數據縫隙的(de)内插點（高(gāo)程）數據可(kě)能與實際情況存在較大(dà)差異，這(zhè)就需要采用(yòng)新方法在原始數據中判斷是否存在這(zhè)些縫隙，并采取相應的(de)處理(lǐ)。

　　5、展望

　　機載LIDAR技術是實現空間三維坐(zuò)标和(hé)影(yǐng)像數據同步、快(kuài)速、高(gāo)精度獲取的(de)國際領先的(de)空間技術，在采集地标數據方面具有傳統航空攝影(yǐng)測量所無法比拟的(de)巨大(dà)優勢。三維激光(guāng)雷達技術是高(gāo)精度逆向三維建模及重構技術的(de)革命，是進行大(dà)區(qū)域空間監測的(de)利器。随著(zhe)技術的(de)成熟，LIDAR數據處理(lǐ)技術會得(de)到改進，激光(guāng)雷達的(de)應用(yòng)領域和(hé)深度也(yě)會日益拓寬和(hé)加深。

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