機(jī)載激光雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：機(jī)載激光雷達(dá)是一種應(yīng)用越來越廣泛的對地觀測系統(tǒng)，本文簡要介紹了機(jī)載LIDAR系統(tǒng)及其測量原理，并重點(diǎn)綜述了機(jī)載LIDAR的應(yīng)用現(xiàn)狀最后對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵字：

激光

；

激光器

；

激光技術(shù)

；激光雷達(dá)

機(jī)載LIDAR的技術(shù)原理

機(jī)載激光雷達(dá)（LightDetectionAndRanging，LIDAR）是將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度計(jì)物體反射特性等信息來識別目標(biāo)。它體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號處理技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)起源于傳統(tǒng)的工程測量中的

激光測距

技術(shù)，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代

\o"激光技術(shù)"

激光技術(shù)

結(jié)合的產(chǎn)物，是遙感測量領(lǐng)域的一門新興技術(shù)。

自20世紀(jì)60年代末世界第一部

激光雷達(dá)

誕生以來，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)作為一種重要的航空遙感技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的學(xué)者所關(guān)注。迄今為止，機(jī)載激光雷達(dá)的研究與應(yīng)用均取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，雖然機(jī)載激光雷達(dá)無法完全取代傳統(tǒng)的航空攝影測量作業(yè)方式，但可以預(yù)見，在未來的航空遙感領(lǐng)域，機(jī)載激光雷達(dá)將成為主流之一。進(jìn)入90年代，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化階段，并成為雷達(dá)遙感發(fā)展的重要方向之一。機(jī)載LIDAR系統(tǒng)是一款高速度、高性能、長距離的航空測量設(shè)備，該系統(tǒng)由激光測高儀、GPS定位裝置、IMU（慣性制導(dǎo)儀）和高分辨率數(shù)碼照相機(jī)組成，實(shí)習(xí)對目標(biāo)的同步測量。測量數(shù)據(jù)通過特定方程解算處理，生成高密度激光點(diǎn)云數(shù)值，為地形信息的提取提供精確的數(shù)據(jù)源。其應(yīng)用已超出傳統(tǒng)測量，遙感，以及近景測量所覆蓋的范圍，成為一種獨(dú)特的數(shù)據(jù)獲取方式。

與普通光波相比，激光具有方向性好、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，不易受大氣環(huán)境和太陽光線的影響。使用激光進(jìn)行距離測量可大大提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性抗干擾能力。當(dāng)來自

激光器

的激光射到一個(gè)物體的表面時(shí)，只要不存在方向反射，總會有一部分光會反射回去，成為回波信號，被系統(tǒng)的接收器所接收，當(dāng)儀器計(jì)算出光由

\o"激光器"

激光器

射出返回到接收器的時(shí)間為2t后，那么，激光器到反射物體的距離d=光速c×t\2。

在機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)中，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得飛行過程中的3個(gè)方位角（ψωκ），通過全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取激光掃描儀中心坐標(biāo)（xyz），最后利用激光掃描儀獲取到激光掃描儀中心至地面點(diǎn)的距離D，由此可以計(jì)算出此刻地面上相應(yīng)激光點(diǎn)（XYZ）的空間坐標(biāo)。

假設(shè)三維空間中一點(diǎn)的坐標(biāo)已知，求出改點(diǎn)到地面上某一待定點(diǎn)P（XYZ）的向量，則P點(diǎn)的坐標(biāo)就可以由加得到。其中點(diǎn)為遙感器的投影中心，其坐標(biāo)可利用動態(tài)差分GPS求出，向量的模是由激光測距系統(tǒng)測定的機(jī)載激光測距儀的投影中心到地面激光腳點(diǎn)間的距離，姿態(tài)參數(shù)可以利用高精度姿態(tài)測量裝置（INS）進(jìn)行測量獲得的。

利用機(jī)載LIDAR系統(tǒng)進(jìn)行測高作業(yè)，根據(jù)不同的航高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達(dá)到0.15至1米，高程精度可達(dá)10cm至30cm，地面分辨率甚至可達(dá)到厘米級?？梢哉f，機(jī)載LIDAR系統(tǒng)是為綜合航射影像和空中數(shù)據(jù)定位二設(shè)計(jì)的新技術(shù)手段，它能為測繪工程、數(shù)字地圖和GIS應(yīng)用快速提供精確的空間坐標(biāo)信息和三維模型信息。

二、機(jī)載LIDAR的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)載LIDAR一高精度、高分辨率、高自動化且高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進(jìn)行大面積數(shù)值地表數(shù)據(jù)測制的重要主流與趨勢，其多重反射的特性，可同時(shí)獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標(biāo)，而透水

\o"激光"

激光

雷達(dá)系統(tǒng)更可穿透水體而量測水底的地形起伏。其獲取的高精度高分辨率DEM，可作為土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、都市計(jì)劃管理，河海地形、潮間帶、集水區(qū)、山坡檢測，地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公共管理線等方面數(shù)值化、自動化等應(yīng)用基礎(chǔ)。

1.數(shù)字城市應(yīng)用

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時(shí)代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此，對快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活提出了更高的要求。LIDAR系統(tǒng)在城市中更能體現(xiàn)其不受航高、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。

2.工程建筑測量

機(jī)載激光雷達(dá)測量能夠?yàn)榈缆饭こ碳捌渌ㄖ?xiàng)目提供準(zhǔn)確的高程數(shù)據(jù)。機(jī)載激光雷達(dá)生成的DEM結(jié)合GIS及CAD軟件，可以是設(shè)計(jì)人員模擬各種方案以選擇出最佳路線或最好位置。對于施工錢的原始預(yù)測，DEM結(jié)合正射影像可以為工程設(shè)計(jì)人員提供他們所需的大量地形和測量信息。

3.電力設(shè)計(jì)勘測選線和線路監(jiān)測應(yīng)用。

在進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個(gè)線路設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素的情況。

4.災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測

利用機(jī)載LIDAR產(chǎn)生的DEM，水文學(xué)家可以預(yù)測洪水的范圍，制定災(zāi)難減輕方案以及補(bǔ)救措施。典型的一套機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在四小時(shí)內(nèi)用一架固定翼飛機(jī)完成長30km區(qū)域的勘測。其垂直精度和達(dá)15cm，平均點(diǎn)距為1.5m，合計(jì)記錄了153000000個(gè)反映詳細(xì)地形和地物的數(shù)據(jù)點(diǎn)。也廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害（如颶風(fēng)、地震、洪水滑坡等）的災(zāi)后評估和響應(yīng)。

5.海岸工程

傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)有時(shí)不能用于反差小或無明顯特征的地區(qū)，如海岸及海岸地區(qū)。另外海岸地區(qū)的動態(tài)環(huán)境也需要經(jīng)常更新基準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)。機(jī)載LIDAR是一種主動傳感技術(shù)，能以低成本做高動態(tài)環(huán)境下常規(guī)基礎(chǔ)海岸線測量，且具有一定的水下探測能力，可測量近海水深70m內(nèi)水下地形，可用于海岸帶、海邊沙丘、海邊提防和海岸森林的三維測量和動態(tài)監(jiān)測。

6.林業(yè)應(yīng)用

頻率為100Hz的TEACO2相干脈沖

\o"激光器"

激光器

，脈寬為150ns，峰值功率為100kw，以單縱橫工作，而且頻率可調(diào)。盡管迄今尚未見到成功的報(bào)道，但仍不失為激光雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展方向。

自90年代初以來，美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室一直致力于發(fā)展一種新體制激光成像激光雷達(dá)不需要機(jī)械掃描，而是利用高頻強(qiáng)度調(diào)制的

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