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激光雷达LiDAR的起源、发展、原理及应用前景

作者:飞燕遥感 发布日期:2018-06-01 00:00 浏览量:631

  前言

  激光雷达是“光探测和测距“ Lidar (Light Detection and Ranging) 的简称,最初称为光雷达,因为那时使用的光源均非激光。自激光发射器出现以来,激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源,所以现在的光雷达均使用激光发射器作光源,名称也就统称为激光雷达。激光雷达技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取,再现客观事物的实时的、真实的形态特性,为快速获取空间信息提供了简单有效手段。


  Lidar系统根据载体的不同,分为星载、机载和地面三种模式。其中,星载和机载Lidar多用于中、小比例尺地形测量,如1:50000、1:100000等地形图绘制等;而地面Lidar适合更精细、更高精度的复杂地物量测,如古建筑的三维城市建模、复杂场馆测量、大比例尺DEM和地形图的获取等。


  Lidar的数据获取特性,使其在“数字城市”建设、城市规划、工程测量、古建修复等多个领域有了应用机会;同时,也为复杂、困难地区,如森林、沙漠、戈壁、雪山等,采用传统测量方法获取高精度的DEM和地形测量数据提供了高效、高精度的全新测量手段。


  一、Lidar的技术的起源与发展

  (一)起源

  自Daguerre和Niepce在1839年拍摄第一张像片以来,由像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。至荷兰人Fourcade在1901年发明了摄影测量的立体观测技术,使得由二维像片获取地面三维数据(X、Y、Z)变为可能。一百多年以来,立体摄影测量仍是获取地面三维数据最可靠和最精确的技术,是国家基本比例尺地形图测绘的主要技术。


  (二)发展

  随着计算机及高新技术的出现,数字立体摄影测量技术也得到了逐步发展和成熟,相应的数据处理软件和数字立体摄影测量工作站已经在许多生产部门得到普及。但基本上,摄影测量的工作流程却没有太大的变化,如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本上没有太大的变化。这种生产模式的周期太长,已经不适应当前信息社会的需要,也不能够满足“数字地球”对测绘的要求。


  Lidar测绘技术起源于1970年美国航天局(NASA)的技术研发。因全球定位系统(GPS)及惯性导航系统(INS)技术的发展,使得精确的即时定位及姿态确定成为了可能。1988到1993年期间,德国Stuttgart大学将激光扫描技术与即时定位定姿系统相结合,形成了空载激光扫描仪(Ackermann-19)。此后,空载激光扫瞄仪的发展十分迅速,目前已有10多家生产空载激光扫瞄仪的厂商,超过30种型号(Baltsavias-1999)可供选择。最初,研发空载激光扫瞄仪的目的是观测多重反射(multiple echoes)的观测值,测出地表及树顶的高度模型。由于其精确的观测成果及高度自动化,空载激光扫瞄仪成为了主要的DEM生产工具。



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  二、Lidar的基本原理

  Lidar系统是一种集全球定位系统(GPS)、 惯性导航系统(INS)和激光三种技术与一身的系统,可用于数据的获取并生成精确的DEM。这三种技术的集合,可高度、准确、快速地定位激光束打在物体上的光斑的位置。


  激光本身具有非常准确的测距能力,其测距精度可达几个厘米,而Lidar系统的精确度取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU) 各自系统和三者同步等内在因素。随着GPS和IMU技术的快速发展,通过Lidar从移动平台上获得高精度的数据已经获得成功并被广泛应用。


  Lidar系统由一个单束窄带激光发射器和一个接收系统构成。激光发射器产生并发射一束光脉冲,打在物体上并反射回来,最终被接收器所接收。接收器能够准确地测量光脉冲从发射到被反射回来的传播时间。由于光脉冲以光速传播,所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。根据光速是已知的,传播时间可以被转换为对距离的测量。结合从GPS得到的激光发射器的三维信息(X、Y、Z)和从INS得到的激光发射方向,我们可以准确地计算出每一个地面光斑点的坐标(x、y、z)。因为激光束发射的频率可以每秒从几个脉冲到几万个脉冲,所以Lidar系统可以在短时间内获取大量的监测点信息。比如,一个频率为每秒一万次脉冲的系统,接收器将会在一分钟内记录六十万个点,这是对传统测量方法获取测量点数不可比拟的优势。


  机载Lidar系统沿航线采集地面点三维数据之后,经过数据处理软件和工作站的解算,可生成Lidar数据影像和地面高程模型DEM。系统也可以自动调节航带宽度,使其与航摄宽度精确相匹配。经过实践证明,在不同的实地条件下, Lidar系统的平面精度可达到0.15 至1米,高程精度可达到0.1米,间隔可达到2-12米。因此,机载Lidar系统能快速、有效的为各种中、小比例尺数字制图和GIS应用提供准确的地面模型数据。


  同时,由于Lidar系统是一种活动装置,激光脉冲受阴影和太阳角度影响比较小,从而极大的提高了数据采集的质量。与常规摄影测量相比,因其高程数据精度不受航高影响,Lidar系统更具优越性。Lidar系统采用多光束返回采集高程,数据密度可达到常规摄影测量的三倍以上,很大程度上提高了正射影像纠正精度,最终能提供更加准确的数字高程模型DEMLidar数据经过地理信息系统软件处理,可以直接与其它类型要素或影像数据进行合并,生产内容更加丰富的各类专题地图。


  三、Lidar的应用前景

  (一)军事领域方面的应用

  Lidar技术在军事领域的主要用途是用于测量导弹、飞机、舰艇、坦克,甚至炮弹的运动轨迹,起测量精度很高,足以保证这些武器装备性能的充分发挥。


  (二)国民经济建设方面的应用

  Lidar技术在国民经济建设中如农业、水利电力设计、国土资源调查、城市规划、公路铁路设计、交通旅游与气象环境调查等各大领域中可以得到广泛应用。


  1. 林业项目。根据Lidar系统测得的数据,分析森林树木的覆盖率及覆盖面积,进一步了解树木的疏密程度,包括年幼树木覆盖面积和年长树木的覆盖面积,便于人们在茂盛森林中进行适当地砍伐,在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外,通过Lidar数据可以概算出树木的种类、平均高度和森林占地面积,及木材的数量,便于相关主管部门进行宏观调控。


  2.水利项目。Lidar技术应用于河流监控和治理,有着极其重大的意义。通过Lidar数据生成的DEM高程值可以用不同颜色表示,所以水利部门可以按某一高程值预设一颜色值渲染,便可直观地看出水位淹没的范围,也可测算出水位到达这一高程时所淹没的区域面积以及其造成的危害程度。因此,水利部门利用Lidar技术可以进行有效的水利工程设计,进行河流水域的监控与治理和水灾防治。


  3.电力输送项目。Lidar技术极大地方便电网布设与维护管理工作。在进行线路设计时,通过Lidar数据可以了解到整个规划线路设计区域内地形和地物要素的基本情况。尤其是在树木密集处,可以估算出需要砍伐树木的面积和木材的数量。此外,在电力线进行抢修和维护时,根据电力线路上的Lidar数据点及相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度,这样就能快速找出事故节点,便于了抢修和维护。


  4. 数字城市项目。利用高精度的Lidar数字地面模型DEM 与GIS系统有机的结合,可以建立和完善“数字城市”系统的基础地理信息库,对城市里面的建筑、道路、桥梁等构筑物进行数据的维护和及时更新。


  5.交通管线设计项目。公路、铁路等交通管线设计项目一般路线长、工期紧、任务重,采用Lidar技术结合传统测量手段,可以快速为此类线路工程设计提供高精度的大比例尺地形图和地面高程模型DEM,为规划、设计部门提供准确的基础信息资料,为决策的指定提供可靠的依据。同时,施工过程中的土石方量计算也可以利用Lidar数据计算得出。


  结语

  激光雷达技术(Lidar)是近十年来快速发展并得到广泛应用的测量手段,有着常规测量方法和传统航空摄影技术不可比拟的优势:作业时间短,测量精度高,天气影响小,作业安全,不受地形、地域限制,可同时测量地面和非地面层。因此,随着技术的不断发展和普及,无论是在军事上还是民用上,Lidar都将会有着广阔的发展前途。


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