Lidar原理與應(yīng)用一、測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介二、Lidar簡(jiǎn)介三、Lidar系統(tǒng)組成四、Lidar技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)五、常用的Lidar系統(tǒng)六、Lidar數(shù)據(jù)獲取原理七、Lidar數(shù)據(jù)處理八、Lidar應(yīng)用九、Lidar產(chǎn)品簡(jiǎn)介測(cè)繪學(xué)簡(jiǎn)介測(cè)繪學(xué)：是研究地理信息的獲取、處理、描述和應(yīng)用的學(xué)科。其內(nèi)容包括研究測(cè)定、描述地球的形狀、大小、重力場(chǎng)、地表形態(tài)以及它們的各種變化，確定自然和人造物體、人工設(shè)施的空間位置及屬性，制成各種地圖和建立有關(guān)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)代測(cè)繪學(xué)的技術(shù)已部分應(yīng)用于其它行星和月球上。測(cè)繪學(xué)的分支：

大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程地圖制圖學(xué)與地理信息工程攝影測(cè)量與遙感大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程：

大地測(cè)量是研究地球形狀、大小和重力場(chǎng)及其變化，通過(guò)建立區(qū)域和全球三維控制網(wǎng)、重力網(wǎng)及利用衛(wèi)星測(cè)量、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等方法測(cè)定地球各種動(dòng)態(tài)的理論和技術(shù)的學(xué)科。

工程測(cè)量是研究工程建設(shè)和自然資源開(kāi)發(fā)中各個(gè)階段進(jìn)行的控制測(cè)量、地形測(cè)繪、施工放樣、變形監(jiān)測(cè)及建立相應(yīng)信息系統(tǒng)的理論和技術(shù)的學(xué)科。地圖制圖學(xué)與地理信息工程：

研究地圖的信息傳輸、空間認(rèn)知、投影原理、制圖綜合和地圖的設(shè)計(jì)、編制、復(fù)制以及建立地圖數(shù)據(jù)庫(kù)等的理論和技術(shù)的學(xué)科。攝影測(cè)量與遙感：是利用電磁波傳感器獲取目標(biāo)物的幾何和物理信息，用以測(cè)定目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置，判釋其性質(zhì)及相互關(guān)系，并用圖形、圖像和數(shù)字形式表達(dá)的理論和技術(shù)的學(xué)科。

攝影測(cè)量：是利用攝影影像信息測(cè)定目標(biāo)物的形狀、大小、空間位置、性質(zhì)和相互關(guān)系的科學(xué)技術(shù)。遙感：是不接觸物體本身，用遙感器收集目標(biāo)物的電磁波信息，經(jīng)處理、分析后，識(shí)別目標(biāo)物、揭示目標(biāo)物幾何形狀大小、相互關(guān)系及其變化規(guī)律的科學(xué)技術(shù)。3S技術(shù)GPS—GlobalPositioningSystem全球定位系統(tǒng)：是以人造衛(wèi)星組網(wǎng)為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用設(shè)置在地面或運(yùn)動(dòng)載體上的專用接收機(jī)，接收衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。是根據(jù)美國(guó)國(guó)防部1973年12月批準(zhǔn)的國(guó)防導(dǎo)航衛(wèi)星計(jì)劃而建設(shè)的。由三部分組成，即空間的衛(wèi)星，地面控制系統(tǒng)，用戶的接收處理裝置?？臻g部分有21顆衛(wèi)星，其中18顆為工作衛(wèi)星，3顆為備份衛(wèi)星。用戶的接收裝置由天線、接收機(jī)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。RS—RemoteSensing遙感GIS——GeographicInformationSystem地理信息系統(tǒng)：在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，把各種地理信息按照空間分布，以一定的格式輸入、存貯、檢索、更新、顯示、制圖和綜合分析的技術(shù)系統(tǒng)。4D產(chǎn)品簡(jiǎn)介數(shù)字高程模型（DigitalElevationModel—DEM）是在某一投影平面（如高斯投影平面）上規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的平面坐標(biāo)（X，Y）及高程（Z）的數(shù)據(jù)集。DEM的格網(wǎng)間隔應(yīng)與其高程精度相適配，并形成有規(guī)則的格網(wǎng)系列。根據(jù)不同的高程精度，可分為不同類型。為完整反映地表形態(tài)，還可增加離散高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)字正射影像圖（DigitalOrthophotoMap—DOM）是利用數(shù)字高程模型（DEM）對(duì)經(jīng)掃描處理的數(shù)字化航空像片，經(jīng)逐像元進(jìn)行投影差改正、鑲嵌，按國(guó)家基本比例尺地形圖圖幅范圍剪裁生成的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集。它是同時(shí)具有地圖幾何精度和影像特征的圖像，具有精度高、信息豐富、直觀真實(shí)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字線劃地圖（DigitalLineGraphic—DLG）是現(xiàn)有地形圖要素的矢量數(shù)據(jù)集，保存各要素間的空間關(guān)系和相關(guān)的屬性信息，全面地描述地表目標(biāo)。數(shù)字柵格地圖（DigitalRasterGraphic—DRG）是現(xiàn)有紙質(zhì)地形圖經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到的柵格數(shù)據(jù)文件。每一幅地形圖在掃描數(shù)字化后，經(jīng)幾何糾正，并進(jìn)行內(nèi)容更新和數(shù)據(jù)壓縮處理，彩色地形圖還應(yīng)經(jīng)色彩校正，使每幅圖像的色彩基本一致。數(shù)字柵格地圖在內(nèi)容上、幾何精度和色彩上與國(guó)家基本比例尺地形圖保持一致。機(jī)載激光雷達(dá)探測(cè)及測(cè)距（LIDAR-LightDetectionandRanging），又叫激光雷達(dá)，可以說(shuō)是近數(shù)十年來(lái)攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域最具革命性的成就之一。一般由GPS、慣性導(dǎo)航裝置INU和激光測(cè)距儀LaserScanner集成，利用飛機(jī)作為平臺(tái)，是獲取地面三維位置信息的測(cè)量系統(tǒng)。圖1LIDAR系統(tǒng)

Lidar簡(jiǎn)介L(zhǎng)idar系統(tǒng)組成GPS、INS以及激光器LaserScanner共同組成了一個(gè)整體的激光雷達(dá)遙感信息獲取系統(tǒng)。對(duì)于地形測(cè)量而言，從空中的飛行載體上（可以是專業(yè)的航空攝影飛機(jī)，可以是直升機(jī)，也可能是專業(yè)氣球等）對(duì)地面進(jìn)行測(cè)量的原理是大家都熟悉的“雙路”時(shí)間測(cè)量方法，也就是說(shuō)，我們只需要記錄從激光器發(fā)射到激光信號(hào)返回的時(shí)間。一個(gè)典型的激光雷達(dá)遙感信息獲取系統(tǒng)是一個(gè)整體，它在飛行載體上必須按照嚴(yán)格的位置安排，整個(gè)系統(tǒng)是由GPS、INS以及激光記錄器件組成。各部分的功能簡(jiǎn)單介紹如下：1、GPS（GlobalPositionSystem全球定位系統(tǒng)）用于衛(wèi)星定位、導(dǎo)航以及時(shí)間傳輸?shù)腉PS系統(tǒng)是一個(gè)可以提供給無(wú)限用戶使用的、與天氣無(wú)關(guān)、在全球范圍內(nèi)任何時(shí)候都可以使用的高精度的三維定位系統(tǒng)。整個(gè)GPS又可以分成三個(gè)主要的部分，即空間單元（位于衛(wèi)星上）、地面控制單元（地面接受站）以及用戶單元（GPS接受機(jī)）。Lidar系統(tǒng)利用至少兩臺(tái)GPS接收機(jī)觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)獲取Lidar的位置信息（X、Y、Z三維坐標(biāo)）。2、IMU(InertialMeasurementUnit慣性導(dǎo)航裝置)

INU慣性導(dǎo)航裝置用于測(cè)量確定有關(guān)設(shè)備的傾角，整個(gè)系統(tǒng)的方位角參數(shù)通過(guò)三個(gè)互相垂直安置的陀螺儀和加速度儀側(cè)定。IMU獲取的是機(jī)載Lidar的姿態(tài)信息，即滾動(dòng)（roll)、俯仰(heading)和航偏角(pitch)。3、LaserScanner(激光掃描儀)

激光掃描儀是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，它由多個(gè)部件組成。一般地，它可以分成傳感器部件和控制器部件。進(jìn)一步地，一個(gè)傳感器部件可以細(xì)分成發(fā)射單元和接收單元等。一個(gè)控制單元?jiǎng)t可以分成時(shí)間記錄器，微處理機(jī)，指示器和輸出部件等。

激光測(cè)距技術(shù)利用激光的特點(diǎn)是單色性好、方向性強(qiáng)、能量高、光速窄等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度、角度等等。Lidar技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)用激光雷達(dá)精確確定地面上目標(biāo)的高度，始于20世紀(jì)70年代后期。隨后的幾十年，LIDAR遙感系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)獲取方法（如：人工量測(cè)和攝影測(cè)量）相比，LIDAR技術(shù)具有其自身的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:（1）LIDAR系統(tǒng)是一種主動(dòng)式的遙感測(cè)量系統(tǒng)；（2）激光脈沖信號(hào)能部分地穿透植被，能快速、高精度和高空間分辨率地獲取森林或山區(qū)的數(shù)字表面模型；（3）不需要大量的地面控制點(diǎn)，且速度快，半天就能完成1000平方公里區(qū)域的地形數(shù)據(jù)采集

，特別適合于森林、沙漠等無(wú)地面控制的困難地區(qū)地形數(shù)據(jù)的獲取；（4）作業(yè)周期快，是傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)獲取方法的30~40%左右，能適應(yīng)三維數(shù)據(jù)的更新速度；（5）時(shí)效性強(qiáng)，對(duì)天氣和氣候條件的依賴較少，可以全天候提取測(cè)區(qū)的DEM數(shù)據(jù)；（6）不需要昂貴的測(cè)圖設(shè)備，所需費(fèi)用是傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)獲取方法的20~30%左右；（7）可以將信息獲取、信息處理及應(yīng)用技術(shù)納入統(tǒng)一系統(tǒng)之中，更有利于提高自動(dòng)化及高速化程度；（8）LIDAR數(shù)據(jù)固有的三維屬性，避免了在數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中影像匹配技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生的誤匹配，生成的DEM更加精確可靠，具有實(shí)時(shí)應(yīng)用的潛力。

當(dāng)然，任何技術(shù)也都有其不足的地方，航空激光雷達(dá)技術(shù)也不例外。與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法相比，在獲取數(shù)字高程模型方面，有下列不足的地方:需要地面GPS控制站；獲取的原始離散數(shù)據(jù)不具有特征線信息；需要正射影像或者地形圖作為數(shù)據(jù)處理的支持信息；需要研制高效、可靠的數(shù)據(jù)后處理方法。

對(duì)于第二點(diǎn)和第四點(diǎn)而言，已經(jīng)可以通過(guò)研制和發(fā)展高效的特征提取算法得到有效的解決。而實(shí)際上，自從航空激光雷達(dá)技術(shù)得到應(yīng)用以來(lái)，已經(jīng)研制成功了比較實(shí)用的基于航空激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取地面特征砍線的技術(shù)和算法。目前常用的Lidar系統(tǒng)1、美國(guó)Leica公司的LeicaALS-40/50激光雷達(dá)系統(tǒng)2、德國(guó)TopoSys公司的FALCONIII、HARRIER24和HARRIER56激光雷達(dá)系統(tǒng)3、意大利Optech公司的ALTM3100EA激光雷達(dá)系統(tǒng)4、德國(guó)IGI公司的LiteMapper2400、LiteMapper5600激光雷達(dá)系統(tǒng)表1部分Lidar系統(tǒng)簡(jiǎn)介L(zhǎng)idar數(shù)據(jù)獲取原理航空激光雷達(dá)遙感信息獲取系統(tǒng)是一種在GPS、INS和激光器支持下的，基于角度和距離測(cè)量的幾何數(shù)據(jù)獲取的方法。從激光發(fā)射器發(fā)射出的激光光束到達(dá)地面并被反射后，被激光器上的接收單元接收和記錄。一般把從發(fā)射到接收這段時(shí)間稱為運(yùn)行時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間參數(shù)t與光束的出發(fā)點(diǎn)和地面之間的雙倍距離R成正比，由此，可以計(jì)算出此距離值R：R=t*C/2角度參數(shù)的測(cè)量通過(guò)相應(yīng)的INU裝置完成。它們與距離參數(shù)、時(shí)間參數(shù)等一起完成了對(duì)地面三維目標(biāo)的定位和量測(cè)任務(wù)。

地球的表面以及覆蓋其上的目標(biāo)，譬如植被或者建筑物等都可以產(chǎn)生反射，因此激光掃描系統(tǒng)上的接收單元所收到的反射信號(hào)包含了所有的地面反射的信息。大部分的激光雷達(dá)系統(tǒng)提供了兩種不同的數(shù)據(jù)獲取方式：即所謂的“首次脈沖”和“末次脈沖”記錄方式(?firstpulse“和?lastpulse“)。

我們知道，正常情況下，一束激光光束只產(chǎn)生一次反射，但是，在密集的森林地區(qū)則有可能產(chǎn)生兩次或多次反射，見(jiàn)下圖。在這種情況下，我們必須要選擇接收第一次反射的信號(hào)，還是最后一次反射的信號(hào)？大部分的激光掃描系統(tǒng)提供了這種選擇功能。根據(jù)不同的使用目的，“末次脈沖”記錄方式一般用于獲取數(shù)字高程模型，因?yàn)楸M管植被或樹(shù)林的多次反射，激光光束仍有可能達(dá)到地球表面。顧名思義，“首次脈沖”記錄方式則記錄激光信號(hào)的第一次反射。圖2激光脈沖的多次反射特性一般來(lái)說(shuō)，航空激光系統(tǒng)的掃描方式按照其光束在地面上的軌跡和形狀可以分成2～3種，圖3演示的是其中的三種掃描方式。由于這三種掃描方式的不同，其數(shù)據(jù)獲取的方式當(dāng)然也不同。對(duì)于用戶而言，可以根據(jù)不同的使用目的而選擇。圖3

掃描方式示意圖航空激光雷達(dá)獲取的地面目標(biāo)的三維坐標(biāo)的分布是隨機(jī)的、不規(guī)則的。盡管可以選擇不同的掃描方式（譬如之字形掃描方式，或者是旋轉(zhuǎn)式的近橢圓式掃描方式），不同的反射方式（譬如記錄第一次反射的信號(hào)，或者是記錄最后一次反射的信號(hào)），或者選擇合適的飛行季節(jié)（譬如為了更有效的獲取地面信息，人們一般選擇地面植被較淡的秋季或者沒(méi)有雪覆蓋的冬季等），獲取的地面三維信息不可避免地會(huì)落在各種各樣的地面目標(biāo)上。圖4Lidar數(shù)據(jù)地面點(diǎn)斷面分布示意圖Lidar數(shù)據(jù)的處理LIDAR數(shù)據(jù)處理包括原始數(shù)據(jù)預(yù)處理和點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理兩個(gè)階段。1、原始數(shù)據(jù)預(yù)處理首先通過(guò)地面CPS的基準(zhǔn)站和機(jī)載GPS的測(cè)量數(shù)據(jù)的聯(lián)合差分結(jié)算，即可精確確定飛機(jī)飛行軌跡。然后利用儀器廠家提供的隨機(jī)商用軟件，對(duì)飛機(jī)GPS軌跡數(shù)據(jù)、飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動(dòng)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，最后得到各測(cè)點(diǎn)的(X，Y，Z)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這樣得到的是大量懸浮在空中沒(méi)有屬性的離散的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，形象地稱之為“點(diǎn)云”。圖5Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布示意圖2、點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理

對(duì)Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的目的就是將分布在不同地面目標(biāo)上的點(diǎn)進(jìn)行分離。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將落在地形表面上的點(diǎn)(即所謂的地面點(diǎn))與那些非地形表面上的點(diǎn)（譬如上面圖中落在汽車上、樹(shù)木或植被上、以及落在房屋上的點(diǎn)）進(jìn)行有效而準(zhǔn)確的分離。(a)原始數(shù)據(jù)高程圖(b)處理后的非地面點(diǎn)高程圖(c)處理后的地面點(diǎn)高程圖圖6平坦地區(qū)Lidar數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果示意圖(a)原始的離散數(shù)據(jù)高程值圖(b)處理后的地面點(diǎn)高程值圖和等高線圖圖7高山地區(qū)Lidar數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果示意圖Lidar系統(tǒng)的應(yīng)用一、獲取數(shù)字高程模型圖8使用Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取數(shù)字高程模型二、構(gòu)建三維城市模型。圖9使用Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取3D建筑物三、高速公路改擴(kuò)建圖10使用Lidar點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高速公路改擴(kuò)建四、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的使用范圍極其廣泛，可以用于不同的目的，而不是僅僅為了構(gòu)建數(shù)字高程模型。譬如，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以有效地用于獲取高壓線的分布，在農(nóng)業(yè)及森林業(yè)上也可以用于獲取樹(shù)木的高度和分布等，以用于森林的監(jiān)視和分類等。圖11使用Lidar數(shù)據(jù)