機載激光(guāng)雷達(Lidar)的(de)優勢與發展前景

　　機載激光(guāng)雷達技術在各個(gè)方面迅速發展，相對(duì)于其它航空遙感技術，機載激光(guāng)雷達技術是航空遙感技術領域的(de)一場(chǎng)革命。但目前機載激光(guāng)雷達數據主要應用(yòng)于基礎測繪、三維城(chéng)市建模和(hé)林(lín)業應用(yòng)、鐵路、電力等。LiDAR 技術的(de)研究和(hé)應用(yòng)飛(fēi)速發展，國外陸續研發并生産出商用(yòng)LiDAR 系統占領了(le)大(dà)量市場(chǎng)。常見的(de)商業激光(guāng)雷達系統主要有Leica公司的(de)ALS80-HA 系統、Optech 公司的(de)ALTMS 系統、Saab 公司的(de)TopEye 系統、Riegl 公司的(de)LMS-Q 系列系統等。我國近年來(lái)LiDAR 事業發展也(yě)較快(kuài)，能生産一些實用(yòng)性的(de)LiDAR 設備，LiDAR 技術的(de)實踐應用(yòng)也(yě)不斷拓展和(hé)深入。

機載激光(guāng)雷達樣式

　　1 機載激光(guāng)雷達技術的(de)特點與優勢

　　激光(guāng)雷達技術作爲一種新興的(de)測繪探測技術，和(hé)其他(tā)測繪探測技術手段相比，具有一定優勢。

　　1)激光(guāng)雷達技術是一種主動式測繪地表空間信息的(de)技術手段。

　　測繪探測技術手段總體來(lái)說可(kě)以分(fēn)爲兩大(dà)類：主動式和(hé)被動式。被動式測繪探測技術獲取的(de)信息來(lái)自于目标反射的(de)電磁波信息(如太陽光(guāng))或者目标自身輻射的(de)電磁波信息，此類型的(de)測量技術手段受天氣、光(guāng)照(zhào)等自然條件的(de)影(yǐng)響和(hé)制約。機載激光(guāng)雷達技術屬于主動式探測手段，通(tōng)過主動發射激光(guāng)脈沖，獲取探測目标反射回來(lái)的(de)信号并處理(lǐ)得(de)到地表目标的(de)空間信息。因此，機載激光(guāng)雷達技術有不受天氣、光(guāng)照(zhào)等條件制約的(de)優勢。例如在汶川地震中，機載激光(guāng)雷達技術就在惡劣複雜(zá)的(de)環境中獲取了(le)高(gāo)精度的(de)地面空間信息。

機載激光(guāng)雷達掃描樣式

　　2)機載激光(guāng)雷達技術獲取空間信息的(de)速度快(kuài)，效率高(gāo)，作業安全。

　　機載激光(guāng)雷達技術通(tōng)過飛(fēi)行器的(de)飛(fēi)行和(hé)激光(guāng)脈沖的(de)掃描完成探測工作，能在短時(shí)間内獲取大(dà)區(qū)域、大(dà)範圍的(de)地表空間信息，工作效率較高(gāo)。和(hé)傳統的(de)人(rén)工測量的(de)技術手段相比，極大(dà)地減少了(le)工作量，縮短了(le)外業測量的(de)時(shí)間，提高(gāo)了(le)探測工作的(de)效率。利用(yòng)無人(rén)機等飛(fēi)行器進行探測，可(kě)以對(duì)很多(duō)較爲危險的(de)區(qū)域進行探測，使得(de)作業的(de)安全性得(de)以保障。這(zhè)些優勢在電力巡線中有很好的(de)應用(yòng)。

　　3)機載激光(guāng)雷達發射的(de)激光(guāng)脈沖對(duì)于植被具有一定的(de)穿透作用(yòng)。

　　在對(duì)森林(lín)等區(qū)域進行探測時(shí)，存在著(zhe)樹木(mù)等植被的(de)枝葉遮擋的(de)情況，這(zhè)對(duì)探測的(de)結果會有較大(dà)的(de)影(yǐng)響。機載激光(guāng)雷達技術發射的(de)激光(guāng)脈沖信号對(duì)植被具有一定的(de)穿透能力，可(kě)以很大(dà)程度上減少植被枝葉遮擋等造成的(de)信息損失，獲取森林(lín)地區(qū)的(de)真實地形數據。

　　4)機載激光(guāng)雷達技術獲取的(de)數據精度較高(gāo)。

　　探測技術獲取的(de)數據的(de)精度，是評價該技術的(de)重要方面和(hé)指标。機載激光(guāng)雷達技術能快(kuài)速獲取大(dà)範圍區(qū)域的(de)地面目标的(de)空間坐(zuò)标，獲取的(de)坐(zuò)标具有較高(gāo)的(de)精度，保證了(le)數據的(de)可(kě)用(yòng)性。在 1 km 的(de)飛(fēi)行高(gāo)度下(xià)，機載 LiDAR 所獲取的(de)點雲數據的(de)高(gāo)程精度可(kě)以達到15~20 cm，平面精度可(kě)以達到 30~100 cm。

　　5)機載激光(guāng)雷達技術提供的(de)信息較爲豐富。

　　機載激光(guāng)雷達技術不僅能夠解算(suàn)地面目标的(de)三維空間坐(zuò)标，同時(shí)可(kě)以記錄地面目标的(de)強度信息，部分(fēn)LiDAR系統還(hái)能夠記錄回波次數信息。豐富的(de)信息爲LiDAR數據的(de)使用(yòng)提供了(le)更多(duō)的(de)可(kě)能性。強度信息和(hé)地面目标的(de)反射率密切相關，不同物(wù)體具有不同的(de)反射特性，将強度信息和(hé)三維坐(zuò)标信息結合使用(yòng)，可(kě)以用(yòng)于對(duì)探測目标進行識别和(hé)分(fēn)類。回波次數信息同樣也(yě)可(kě)以作爲一種輔助信息來(lái)使用(yòng)。機載激光(guāng)雷達技術能夠提供豐富的(de)信息，這(zhè)也(yě)是LiDAR 技術的(de)一大(dà)特點和(hé)優勢。部分(fēn)學者綜合使用(yòng)LiDAR 設備采集的(de)多(duō)種信息，取得(de)了(le)很好的(de)效果。不同測繪探測技術的(de)性能對(duì)比如表1。

　　表1 各種探測技術的(de)對(duì)比[14]

　　激光(guāng)雷達技術也(yě)存在著(zhe)一定的(de)不足，主要包括以下(xià)幾個(gè)方面：

　　1)機載激光(guāng)雷達技術采集的(de)數據具有一定的(de)盲目性。

　　雖然LiDAR 技術能夠獲取大(dà)量的(de)采樣數據，但其數據采集具有一定的(de)盲目性，發射的(de)激光(guāng)點束不一定會打在關鍵的(de)地形點上，可(kě)能導緻關鍵地形點信息的(de)缺失。而且，當發射的(de)激光(guāng)點束打在飛(fēi)鳥、行人(rén)或者深井上，會造成點雲數據出現粗差，因此在使用(yòng)點雲數據前，必須要進行粗差的(de)探測與剔除。

　　2)機載激光(guāng)雷達技術比較複雜(zá)，專業性強。

　　機載激光(guāng)雷達是一種集成的(de)設備，包含諸多(duō)先進的(de)技術設備，如果沒有相應的(de)技術能力，将無法合理(lǐ)操作。

　　3)機載激光(guāng)雷達數據産品比較少。

　　目前機載激光(guāng)雷達的(de)産品比較單一，沒有充分(fēn)發揮LiDAR 點雲數據的(de)優勢，在具體的(de)行業應用(yòng)中，經常需要專門設計對(duì)應的(de)産品類型、指标和(hé)流程，程序比較繁瑣，且産品質量不穩定。

　　2 機載激光(guāng)雷達技術的(de)發展趨勢及應用(yòng)前景

　　2.1 發展趨勢

　　LiDAR 技術是新興的(de)測繪技術，未來(lái)仍有很大(dà)的(de)發展潛力。機載LiDAR 技術會朝著(zhe)獲取多(duō)源數據、處理(lǐ)多(duō)源數據、生産多(duō)樣數據産品方向發展，主要體現在硬件系統和(hé)軟件系統兩大(dà)方面。

　　硬件方面，當前的(de)機載LiDAR 系統的(de)硬件設備型号多(duō)樣，不同廠商提供了(le)豐富多(duō)樣的(de)LiDAR 硬件系統。LiDAR 系統的(de)軟件發展主要體現在數據獲取方面。爲滿足生産實際的(de)需求，機載LiDAR 硬件系統需要往多(duō)平台、多(duō)型号、多(duō)傳感器、多(duō)波束的(de)方向發展。

　　1)機載LiDAR 硬件系統的(de)平台趨于多(duō)樣化(huà)，比如無人(rén)機搭載的(de)LiDAR 系統就受到很多(duō)單位和(hé)研究人(rén)員(yuán)的(de)關注。

　　2)單一型号的(de)硬件系統很難滿足實際的(de)探測需求，适應不同探測條件的(de)多(duō)型号LiDAR 系統正逐步發展起來(lái)。

　　3)多(duō)傳感器的(de)LiDAR 系統具有更優的(de)探測能力。

　　4)傳統的(de)LiDAR 系統主要針對(duì)陸地地表信息采集所用(yòng)，其波長(cháng)位于近紅外附近。随著(zhe)用(yòng)戶實際需求的(de)不斷擴大(dà)，機載LiDAR 系統不僅能夠探測陸地地表信息，還(hái)應該能夠滿足對(duì)非陸地，比如水(shuǐ)域等的(de)探測需求。探測不同類型區(qū)域目标應采用(yòng)合适的(de)探測波段，因此機載LiDAR 系統會朝著(zhe)多(duō)波束方向發展[16]。

　　軟件方面，當前的(de)機載LiDAR 系統的(de)處理(lǐ)軟件也(yě)比較多(duō)，但相對(duì)于硬件系統而言是落後的(de)。機載LiDAR 系統的(de)軟件主要用(yòng)于處理(lǐ)LiDAR 數據，并生産多(duō)類型的(de)數據産品。就此而言，LiDAR 系統的(de)軟件發展主要體現在以下(xià)兩方面：

　　1)數據處理(lǐ)方面。

　　LiDAR 系統具有全天時(shí)的(de)數據獲取能力，而且效率高(gāo)、速度快(kuài)。面對(duì)不同LiDAR 系統獲取的(de)多(duō)時(shí)相、多(duō)氣候條件下(xià)的(de)海量數據，軟件系統的(de)發展應該不斷提高(gāo)其處理(lǐ)數據的(de)速度，提高(gāo)其處理(lǐ)不同類型數據的(de)能力。

　　2)數據産品方面。

　　LiDAR 的(de)軟件系統不僅要能夠快(kuài)速高(gāo)效地處理(lǐ)多(duō)類型數據，還(hái)要根據實際的(de)需求，生産出滿足應用(yòng)需求的(de)數據産品，保證産品的(de)質量。當前的(de)LiDAR 軟件系統能夠提供一些滿足實際需求的(de)産品，但仍需要從理(lǐ)論和(hé)實踐中探究數據處理(lǐ)的(de)算(suàn)法，提高(gāo)數據産品的(de)精度。

　　機載LiDAR 技術目前已經取得(de)了(le)很大(dà)的(de)發展，在諸多(duō)領域都得(de)到了(le)廣泛的(de)應用(yòng)。作爲一種高(gāo)效高(gāo)精度的(de)測繪探測技術，機載LiDAR 技術會朝著(zhe)獲取多(duō)源數據、處理(lǐ)多(duō)源數據、生産多(duō)樣數據産品方向發展，這(zhè)對(duì)LiDAR 的(de)硬件系統和(hé)軟件系統都有一定的(de)要求。

機載激光(guāng)雷達的(de)詳細技術參數

　　2.2 應用(yòng)前景

　　1)機載激光(guāng)雷達在測繪行業的(de)應用(yòng)前景。

　　機載LiDAR 硬件的(de)發展，出現了(le)平台多(duō)樣化(huà)、型号多(duō)樣化(huà)的(de)特點，能滿足大(dà)比例尺地圖測繪、工程測量、變形監測等不同測繪行業的(de)各種需求;而軟件方面，數據處理(lǐ)速度的(de)提升、數據處理(lǐ)量的(de)增加、數據産品類型的(de)豐富，将爲測繪行業帶來(lái)巨大(dà)的(de)經濟效益。

　　2)機載激光(guāng)雷達在林(lín)業的(de)應用(yòng)前景。

　　随著(zhe)機載LiDAR 技術獲取多(duō)源數據、處理(lǐ)多(duō)源數據能力提升，及其可(kě)直接獲得(de)單株木(mù)的(de)位置、樹高(gāo)和(hé)冠幅這(zhè)3 個(gè)垂直結構參數的(de)特點，使得(de)樹種識别得(de)到了(le)一定程度的(de)提高(gāo)，而森林(lín)樹種的(de)精細識别是森林(lín)碳儲量估算(suàn)、森林(lín)生物(wù)多(duō)樣性等研究的(de)基礎，因此，機載LiDAR 的(de)發展對(duì)于我國林(lín)業的(de)發展也(yě)有質的(de)提升[18]。

　　3)機載激光(guāng)雷達在水(shuǐ)利行業的(de)應用(yòng)前景。

　　機載LiDAR 數據産品豐富、自動化(huà)程度高(gāo)、獲取數據精度高(gāo)、生産周期短等優勢，在水(shuǐ)利樞紐工程中得(de)到了(le)較好的(de)應用(yòng)，可(kě)減小外業調查的(de)工作量，提高(gāo)工作效率、降低生産成品;無人(rén)機機載LiDAR 系統更可(kě)在防汛抗旱、搶險救災、水(shuǐ)土保持監管、河(hé)道監管、凍土監測、山洪災害調查、水(shuǐ)溫分(fēn)析等水(shuǐ)利行業的(de)多(duō)個(gè)領域進行應用(yòng)，具有較好的(de)應用(yòng)前景。

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