激光(guāng)雷達LiDAR的(de)起源、發展、原理(lǐ)及應用(yòng)前景

發布日期：2018-06-01 00:00 浏覽量：14193

　　前言

　　激光(guāng)雷達是“光(guāng)探測和(hé)測距“ LiDAR (Light Detection and Ranging) 的(de)簡稱，最初稱爲光(guāng)雷達，因爲那時(shí)使用(yòng)的(de)光(guāng)源均非激光(guāng)。自激光(guāng)發射器出現以來(lái)，激光(guāng)作爲高(gāo)亮度、低發散的(de)相幹光(guāng)特别适合作光(guāng)雷達的(de)光(guāng)源，所以現在的(de)光(guāng)雷達均使用(yòng)激光(guāng)發射器作光(guāng)源，名稱也(yě)就統稱爲激光(guāng)雷達。激光(guāng)雷達技術可(kě)以實現空間三維坐(zuò)标的(de)同步、快(kuài)速、精确地獲取,再現客觀事物(wù)的(de)實時(shí)的(de)、真實的(de)形态特性,爲快(kuài)速獲取空間信息提供了(le)簡單有效手段。

　　LiDAR系統根據載體的(de)不同，分(fēn)爲星載、機載和(hé)地面三種模式。其中，星載和(hé)機載LiDAR多(duō)用(yòng)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适合更精細、更高(gāo)精度的(de)複雜(zá)地物(wù)量測，如古建築的(de)三維城(chéng)市建模、複雜(zá)場(chǎng)館測量、大(dà)比例尺DEM和(hé)地形圖的(de)獲取等。

　　LiDAR的(de)數據獲取特性，使其在“數字城(chéng)市”建設、城(chéng)市規劃、工程測量、古建修複等多(duō)個(gè)領域有了(le)應用(yòng)機會；同時(shí)，也(yě)爲複雜(zá)、困難地區(qū)，如森林(lín)、沙漠、戈壁、雪(xuě)山等，采用(yòng)傳統測量方法獲取高(gāo)精度的(de)DEM和(hé)地形測量數據提供了(le)高(gāo)效、高(gāo)精度的(de)全新測量手段。

　　一、LiDAR的(de)技術的(de)起源與發展

　　（一）起源

　　自Daguerre和(hé)Niepce在1839年拍(pāi)攝第一張像片以來(lái)，由像片制作像片平面圖(X、Y)技術一直沿用(yòng)至今。至荷蘭人(rén)Fourcade在1901年發明(míng)了(le)攝影(yǐng)測量的(de)立體觀測技術，使得(de)由二維像片獲取地面三維數據(X、Y、Z)變爲可(kě)能。一百多(duō)年以來(lái)，立體攝影(yǐng)測量仍是獲取地面三維數據最可(kě)靠和(hé)最精确的(de)技術，是國家基本比例尺地形圖測繪的(de)主要技術。

　　（二）發展

　　随著(zhe)計算(suàn)機及高(gāo)新技術的(de)出現，數字立體攝影(yǐng)測量技術也(yě)得(de)到了(le)逐步發展和(hé)成熟，相應的(de)數據處理(lǐ)軟件和(hé)數字立體攝影(yǐng)測量工作站已經在許多(duō)生産部門得(de)到普及。但基本上，攝影(yǐng)測量的(de)工作流程卻沒有太大(dà)的(de)變化(huà)，如航空攝影(yǐng)-攝影(yǐng)處理(lǐ)-地面測量(空中三角測量)-立體測量-制圖(DLG、DTM、GIS及其他(tā))的(de)模式基本上沒有太大(dà)的(de)變化(huà)。這(zhè)種生産模式的(de)周期太長(cháng)，已經不适應當前信息社會的(de)需要，也(yě)不能夠滿足“數字地球”對(duì)測繪的(de)要求。

　　LiDAR測繪技術起源于1970年美(měi)國航天局（NASA）的(de)技術研發。因全球定位系統（GPS）及慣性導航系統（INS）技術的(de)發展，使得(de)精确的(de)即時(shí)定位及姿态确定成爲了(le)可(kě)能。1988到1993年期間，德國Stuttgart大(dà)學将激光(guāng)掃描技術與即時(shí)定位定姿系統相結合，形成了(le)空載激光(guāng)掃描儀（Ackermann-19）。此後，空載激光(guāng)掃瞄儀的(de)發展十分(fēn)迅速，目前已有10多(duō)家生産空載激光(guāng)掃瞄儀的(de)廠商，超過30種型号（Baltsavias-1999）可(kě)供選擇。最初，研發空載激光(guāng)掃瞄儀的(de)目的(de)是觀測多(duō)重反射（multiple echoes）的(de)觀測值，測出地表及樹頂的(de)高(gāo)度模型。由于其精确的(de)觀測成果及高(gāo)度自動化(huà)，空載激光(guāng)掃瞄儀成爲了(le)主要的(de)DEM生産工具。

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　　二、LiDAR的(de)基本原理(lǐ)

　　LiDAR系統是一種集全球定位系統(GPS)、慣性導航系統(INS)和(hé)激光(guāng)三種技術與一身的(de)系統，可(kě)用(yòng)于數據的(de)獲取并生成精确的(de)DEM。這(zhè)三種技術的(de)集合，可(kě)高(gāo)度、準确、快(kuài)速地定位激光(guāng)束打在物(wù)體上的(de)光(guāng)斑的(de)位置。

　　激光(guāng)本身具有非常準确的(de)測距能力，其測距精度可(kě)達幾個(gè)厘米，而LiDAR系統的(de)精确度取決于激光(guāng)、GPS及慣性測量單元(IMU) 各自系統和(hé)三者同步等内在因素。随著(zhe)GPS和(hé)IMU技術的(de)快(kuài)速發展，通(tōng)過LiDAR從移動平台上獲得(de)高(gāo)精度的(de)數據已經獲得(de)成功并被廣泛應用(yòng)。

　　LiDAR系統由一個(gè)單束窄帶激光(guāng)發射器和(hé)一個(gè)接收系統構成。激光(guāng)發射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。接收器能夠準确地測量光(guāng)脈沖從發射到被反射回來(lái)的(de)傳播時(shí)間。由于光(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。根據光(guāng)速是已知的(de)，傳播時(shí)間可(kě)以被轉換爲對(duì)距離的(de)測量。結合從GPS得(de)到的(de)激光(guāng)發射器的(de)三維信息（X、Y、Z）和(hé)從INS得(de)到的(de)激光(guāng)發射方向，我們可(kě)以準确地計算(suàn)出每一個(gè)地面光(guāng)斑點的(de)坐(zuò)标（x、y、z）。因爲激光(guāng)束發射的(de)頻(pín)率可(kě)以每秒從幾個(gè)脈沖到幾萬個(gè)脈沖，所以LiDAR系統可(kě)以在短時(shí)間内獲取大(dà)量的(de)監測點信息。比如，一個(gè)頻(pín)率爲每秒一萬次脈沖的(de)系統，接收器将會在一分(fēn)鐘(zhōng)内記錄六十萬個(gè)點，這(zhè)是對(duì)傳統測量方法獲取測量點數不可(kě)比拟的(de)優勢。

　　機載LiDAR系統沿航線采集地面點三維數據之後，經過數據處理(lǐ)軟件和(hé)工作站的(de)解算(suàn)，可(kě)生成LiDAR數據影(yǐng)像和(hé)地面高(gāo)程模型DEM。系統也(yě)可(kě)以自動調節航帶寬度，使其與航攝寬度精确相匹配。經過實踐證明(míng)，在不同的(de)實地條件下(xià)， LiDAR系統的(de)平面精度可(kě)達到0.15 至1米，高(gāo)程精度可(kě)達到0.1米，間隔可(kě)達到2-12米。因此，機載LiDAR系統能快(kuài)速、有效的(de)爲各種中、小比例尺數字制圖和(hé)GIS應用(yòng)提供準确的(de)地面模型數據。

　　同時(shí)，由于LiDAR系統是一種活動裝置，激光(guāng)脈沖受陰影(yǐng)和(hé)太陽角度影(yǐng)響比較小，從而極大(dà)的(de)提高(gāo)了(le)數據采集的(de)質量。與常規攝影(yǐng)測量相比，因其高(gāo)程數據精度不受航高(gāo)影(yǐng)響，LiDAR系統更具優越性。LiDAR系統采用(yòng)多(duō)光(guāng)束返回采集高(gāo)程，數據密度可(kě)達到常規攝影(yǐng)測量的(de)三倍以上，很大(dà)程度上提高(gāo)了(le)正射影(yǐng)像糾正精度，最終能提供更加準确的(de)數字高(gāo)程模型DEM。LiDAR數據經過地理(lǐ)信息系統軟件處理(lǐ)，可(kě)以直接與其它類型要素或影(yǐng)像數據進行合并，生産内容更加豐富的(de)各類專題地圖。

　　三、LiDAR的(de)應用(yòng)前景

　　（一）軍事領域方面的(de)應用(yòng)

　　LiDAR技術在軍事領域的(de)主要用(yòng)途是用(yòng)于測量導彈、飛(fēi)機、艦艇、坦克，甚至炮彈的(de)運動軌迹，起測量精度很高(gāo)，足以保證這(zhè)些武器裝備性能的(de)充分(fēn)發揮。

　　（二）國民經濟建設方面的(de)應用(yòng)

　　LiDAR技術在國民經濟建設中如農業、水(shuǐ)利電力設計、國土資源調查、城(chéng)市規劃、公路鐵路設計、交通(tōng)旅遊與氣象環境調查等各大(dà)領域中可(kě)以得(de)到廣泛應用(yòng)。

　　1. 林(lín)業項目。根據LiDAR系統測得(de)的(de)數據，分(fēn)析森林(lín)樹木(mù)的(de)覆蓋率及覆蓋面積，進一步了(le)解樹木(mù)的(de)疏密程度，包括年幼樹木(mù)覆蓋面積和(hé)年長(cháng)樹木(mù)的(de)覆蓋面積，便于人(rén)們在茂盛森林(lín)中進行适當地砍伐，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)出樹木(mù)的(de)種類、平均高(gāo)度和(hé)森林(lín)占地面積，及木(mù)材的(de)數量，便于相關主管部門進行宏觀調控。

　　2.水(shuǐ)利項目。LiDAR技術應用(yòng)于河(hé)流監控和(hé)治理(lǐ)，有著(zhe)極其重大(dà)的(de)意義。通(tōng)過LiDAR數據生成的(de)DEM高(gāo)程值可(kě)以用(yòng)不同顔色表示，所以水(shuǐ)利部門可(kě)以按某一高(gāo)程值預設一顔色值渲染，便可(kě)直觀地看出水(shuǐ)位淹沒的(de)範圍，也(yě)可(kě)測算(suàn)出水(shuǐ)位到達這(zhè)一高(gāo)程時(shí)所淹沒的(de)區(qū)域面積以及其造成的(de)危害程度。因此，水(shuǐ)利部門利用(yòng)LiDAR技術可(kě)以進行有效的(de)水(shuǐ)利工程設計，進行河(hé)流水(shuǐ)域的(de)監控與治理(lǐ)和(hé)水(shuǐ)災防治。

　　3．電力輸送項目。LiDAR技術極大(dà)地方便電網布設與維護管理(lǐ)工作。在進行線路設計時(shí)，通(tōng)過LiDAR數據可(kě)以了(le)解到整個(gè)規劃線路設計區(qū)域内地形和(hé)地物(wù)要素的(de)基本情況。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)材的(de)數量。此外，在電力線進行搶修和(hé)維護時(shí)，根據電力線路上的(de)LiDAR數據點及相應的(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)樣就能快(kuài)速找出事故節點，便于了(le)搶修和(hé)維護。

　　4. 數字城(chéng)市項目。利用(yòng)高(gāo)精度的(de)LiDAR數字地面模型DEM 與GIS系統有機的(de)結合，可(kě)以建立和(hé)完善“數字城(chéng)市”系統的(de)基礎地理(lǐ)信息庫，對(duì)城(chéng)市裏面的(de)建築、道路、橋梁等構築物(wù)進行數據的(de)維護和(hé)及時(shí)更新。

　　5.交通(tōng)管線設計項目。公路、鐵路等交通(tōng)管線設計項目一般路線長(cháng)、工期緊、任務重，采用(yòng)LiDAR技術結合傳統測量手段，可(kě)以快(kuài)速爲此類線路工程設計提供高(gāo)精度的(de)大(dà)比例尺地形圖和(hé)地面高(gāo)程模型DEM，爲規劃、設計部門提供準确的(de)基礎信息資料，爲決策的(de)指定提供可(kě)靠的(de)依據。同時(shí)，施工過程中的(de)土石方量計算(suàn)也(yě)可(kě)以利用(yòng)LiDAR數據計算(suàn)得(de)出。

　　結語

　　激光(guāng)雷達技術(LiDAR)是近十年來(lái)快(kuài)速發展并得(de)到廣泛應用(yòng)的(de)測量手段，有著(zhe)常規測量方法和(hé)傳統航空攝影(yǐng)技術不可(kě)比拟的(de)優勢：作業時(shí)間短，測量精度高(gāo)，天氣影(yǐng)響小，作業安全，不受地形、地域限制，可(kě)同時(shí)測量地面和(hé)非地面層。因此，随著(zhe)技術的(de)不斷發展和(hé)普及，無論是在軍事上還(hái)是民用(yòng)上，LiDAR都将會有著(zhe)廣闊的(de)發展前途。

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