激光雷達(dá)LiDAR的起源、發(fā)展、原理及應(yīng)用前景

發(fā)布日期：2018-06-01 00:00 瀏覽量：20601

　　前言

　　激光雷達(dá)是“光探測和測距“ LiDAR (Light Detection and Ranging) 的簡稱，最初稱為光雷達(dá)，因?yàn)槟菚r(shí)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(dá)的光源，所以現(xiàn)在的光雷達(dá)均使用激光發(fā)射器作光源，名稱也就統(tǒng)稱為激光雷達(dá)。激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、精確地獲取,再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)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(jī)載和地面三種模式。其中，星載和機(jī)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(xì)、更高精度的復(fù)雜地物量測，如古建筑的三維城市建模、復(fù)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(shè)、城市規(guī)劃、工程測量、古建修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域有了應(yīng)用機(jī)會(huì)；同時(shí)，也為復(fù)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(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)，是國家基本比例尺地形圖測繪的主要技術(shù)。

　?。ǘ┌l(fā)展

　　隨著計(jì)算機(jī)及高新技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)字立體攝影測量技術(shù)也得到了逐步發(fā)展和成熟，相應(yīng)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(yīng)當(dāng)前信息社會(huì)的需要，也不能夠滿足“數(shù)字地球”對(duì)測繪的要求。

　　LiDAR測繪技術(shù)起源于1970年美國航天局（NASA）的技術(shù)研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)（GPS）及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）技術(shù)的發(fā)展，使得精確的即時(shí)定位及姿態(tài)確定成為了可能。1988到1993年期間，德國Stuttgart大學(xué)將激光掃描技術(shù)與即時(shí)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(hào)（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汀Ｓ捎谄渚_的觀測成果及高度自動(dòng)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(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和激光三種技術(shù)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(shù)的集合，可高度、準(zhǔn)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(zhǔn)確的測距能力，其測距精度可達(dá)幾個(gè)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(shù)的快速發(fā)展，通過LiDAR從移動(dòng)平臺(tái)上獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)獲得成功并被廣泛應(yīng)用。

　　LiDAR系統(tǒng)由一個(gè)單束窄帶激光發(fā)射器和一個(gè)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(zhǔn)確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回來的傳播時(shí)間。由于光脈沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。根據(jù)光速是已知的，傳播時(shí)間可以被轉(zhuǎn)換為對(duì)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(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑點(diǎn)的坐標(biāo)（x、y、z）。因?yàn)榧す馐l(fā)射的頻率可以每秒從幾個(gè)脈沖到幾萬個(gè)脈沖，所以LiDAR系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的監(jiān)測點(diǎn)信息。比如，一個(gè)頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)，這是對(duì)傳統(tǒng)測量方法獲取測量點(diǎn)數(shù)不可比擬的優(yōu)勢。

　　機(jī)載LiDAR系統(tǒng)沿航線采集地面點(diǎn)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(dòng)調(diào)節(jié)航帶寬度，使其與航攝寬度精確相匹配。經(jīng)過實(shí)踐證明，在不同的實(shí)地條件下， LiDAR系統(tǒng)的平面精度可達(dá)到0.15 至1米，高程精度可達(dá)到0.1米，間隔可達(dá)到2-12米。因此，機(jī)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(yīng)用提供準(zhǔn)確的地面模型數(shù)據(jù)。

　　同時(shí)，由于LiDAR系統(tǒng)是一種活動(dòng)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(dá)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(zhǔn)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(jìn)行合并，生產(chǎn)內(nèi)容更加豐富的各類專題地圖。

　　三、LiDAR的應(yīng)用前景

　?。ㄒ唬┸娛骂I(lǐng)域方面的應(yīng)用

　　LiDAR技術(shù)在軍事領(lǐng)域的主要用途是用于測量導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、坦克，甚至炮彈的運(yùn)動(dòng)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。

　?。ǘ﹪窠?jīng)濟(jì)建設(shè)方面的應(yīng)用

　　LiDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中如農(nóng)業(yè)、水利電力設(shè)計(jì)、國土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、公路鐵路設(shè)計(jì)、交通旅游與氣象環(huán)境調(diào)查等各大領(lǐng)域中可以得到廣泛應(yīng)用。

　　1. 林業(yè)項(xiàng)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(jìn)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(jìn)行適當(dāng)?shù)乜撤ィ诹帜鞠∈杌驘o植被區(qū)域進(jìn)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(guān)主管部門進(jìn)行宏觀調(diào)控。

　　2.水利項(xiàng)目。LiDAR技術(shù)應(yīng)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(yù)設(shè)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(dá)這一高程時(shí)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(shù)可以進(jìn)行有效的水利工程設(shè)計(jì)，進(jìn)行河流水域的監(jiān)控與治理和水災(zāi)防治。

　　3．電力輸送項(xiàng)目。LiDAR技術(shù)極大地方便電網(wǎng)布設(shè)與維護(hù)管理工作。在進(jìn)行線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過LiDAR數(shù)據(jù)可以了解到整個(gè)規(guī)劃線路設(shè)計(jì)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(jìn)行搶修和維護(hù)時(shí)，根據(jù)電力線路上的LiDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)及相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)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(diǎn)，便于了搶修和維護(hù)。

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

　　5.交通管線設(shè)計(jì)項(xiàng)目。公路、鐵路等交通管線設(shè)計(jì)項(xiàng)目一般路線長、工期緊、任務(wù)重，采用LiDAR技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)測量手段，可以快速為此類線路工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)部門提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息資料，為決策的指定提供可靠的依據(jù)。同時(shí)，施工過程中的土石方量計(jì)算也可以利用LiDAR數(shù)據(jù)計(jì)算得出。

　　結(jié)語

　　激光雷達(dá)技術(shù)(LiDAR)是近十年來快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)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(shù)不可比擬的優(yōu)勢：作業(yè)時(shí)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(shí)測量地面和非地面層。因此，隨著技術(shù)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(huì)有著廣闊的發(fā)展前途。

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