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机载激光雷达(Lidar)的优势与发展前景

作者:飞燕遥感 发布日期:2020-10-23 16:55 浏览量:841


  机载激光雷达技术在各个方面迅速发展,相对于其它航空遥感技术,机载激光雷达技术是航空遥感技术领域的一场革命。但目前机载激光雷达数据主要应用于基础测绘、三维城市建模和林业应用、铁路、电力等。Lidar 技术的研究和应用飞速发展,国外陆续研发并生产出商用Lidar 系统占领了大量市场。常见的商业激光雷达系统主要有Leica公司的ALS80-HA 系统、Optech 公司的ALTMS 系统、Saab 公司的TopEye 系统、Riegl 公司的LMS-Q 系列系统等。我国近年来Lidar 事业发展也较快,能生产一些实用性的Lidar 设备,Lidar 技术的实践应用也不断拓展和深入。

机载机关雷达图片机载激光雷达样式


  1 机载激光雷达技术的特点与优势

  激光雷达技术作为一种新兴的测绘探测技术,和其他测绘探测技术手段相比,具有一定优势。

  1)激光雷达技术是一种主动式测绘地表空间信息的技术手段。

  测绘探测技术手段总体来说可以分为两大类:主动式和被动式。被动式测绘探测技术获取的信息来自于目标反射的电磁波信息(如太阳光)或者目标自身辐射的电磁波信息,此类型的测量技术手段受天气、光照等自然条件的影响和制约。机载激光雷达技术属于主动式探测手段,通过主动发射激光脉冲,获取探测目标反射回来的信号并处理得到地表目标的空间信息。因此,机载激光雷达技术有不受天气、光照等条件制约的优势。例如在汶川地震中,机载激光雷达技术就在恶劣复杂的环境中获取了高精度的地面空间信息。

RIEGL VQ-1560i机载激光雷达扫描模式.jpg

机载激光雷达扫描样式

  2)机载激光雷达技术获取空间信息的速度快,效率高,作业安全。

  机载激光雷达技术通过飞行器的飞行和激光脉冲的扫描完成探测工作,能在短时间内获取大区域、大范围的地表空间信息,工作效率较高。和传统的人工测量的技术手段相比,极大地减少了工作量,缩短了外业测量的时间,提高了探测工作的效率。利用无人机等飞行器进行探测,可以对很多较为危险的区域进行探测,使得作业的安全性得以保障。这些优势在电力巡线中有很好的应用。

  3)机载激光雷达发射的激光脉冲对于植被具有一定的穿透作用。

  在对森林等区域进行探测时,存在着树木等植被的枝叶遮挡的情况,这对探测的结果会有较大的影响。机载激光雷达技术发射的激光脉冲信号对植被具有一定的穿透能力,可以很大程度上减少植被枝叶遮挡等造成的信息损失,获取森林地区的真实地形数据。

  4)机载激光雷达技术获取的数据精度较高。

  探测技术获取的数据的精度,是评价该技术的重要方面和指标。机载激光雷达技术能快速获取大范围区域的地面目标的空间坐标,获取的坐标具有较高的精度,保证了数据的可用性。在 1 km 的飞行高度下,机载 Lidar 所获取的点云数据的高程精度可以达到15~20 cm,平面精度可以达到 30~100 cm。

  5)机载激光雷达技术提供的信息较为丰富。

  机载激光雷达技术不仅能够解算地面目标的三维空间坐标,同时可以记录地面目标的强度信息,部分Lidar系统还能够记录回波次数信息。丰富的信息为Lidar数据的使用提供了更多的可能性。强度信息和地面目标的反射率密切相关,不同物体具有不同的反射特性,将强度信息和三维坐标信息结合使用,可以用于对探测目标进行识别和分类。回波次数信息同样也可以作为一种辅助信息来使用。机载激光雷达技术能够提供丰富的信息,这也是Lidar 技术的一大特点和优势。部分学者综合使用Lidar 设备采集的多种信息,取得了很好的效果。不同测绘探测技术的性能对比如表1。


各种探测技术的对比

  表1 各种探测技术的对比[14]

  激光雷达技术也存在着一定的不足,主要包括以下几个方面

  1)机载激光雷达技术采集的数据具有一定的盲目性。

  虽然Lidar 技术能够获取大量的采样数据,但其数据采集具有一定的盲目性,发射的激光点束不一定会打在关键的地形点上,可能导致关键地形点信息的缺失。而且,当发射的激光点束打在飞鸟、行人或者深井上,会造成点云数据出现粗差,因此在使用点云数据前,必须要进行粗差的探测与剔除。

  2)机载激光雷达技术比较复杂,专业性强。

  机载激光雷达是一种集成的设备,包含诸多先进的技术设备,如果没有相应的技术能力,将无法合理操作。

  3)机载激光雷达数据产品比较少。

  目前机载激光雷达的产品比较单一,没有充分发挥Lidar 点云数据的优势,在具体的行业应用中,经常需要专门设计对应的产品类型、指标和流程,程序比较繁琐,且产品质量不稳定。

  2 机载激光雷达技术的发展趋势及应用前景

  2.1 发展趋势

  Lidar 技术是新兴的测绘技术,未来仍有很大的发展潜力。机载Lidar 技术会朝着获取多源数据、处理多源数据、生产多样数据产品方向发展,主要体现在硬件系统和软件系统两大方面。

  硬件方面,当前的机载Lidar 系统的硬件设备型号多样,不同厂商提供了丰富多样的Lidar 硬件系统。Lidar 系统的软件发展主要体现在数据获取方面。为满足生产实际的需求,机载Lidar 硬件系统需要往多平台、多型号、多传感器、多波束的方向发展。

  1)机载Lidar 硬件系统的平台趋于多样化,比如无人机搭载的Lidar 系统就受到很多单位和研究人员的关注。

  2)单一型号的硬件系统很难满足实际的探测需求,适应不同探测条件的多型号Lidar 系统正逐步发展起来。

  3)多传感器的Lidar 系统具有更优的探测能力。

  4)传统的Lidar 系统主要针对陆地地表信息采集所用,其波长位于近红外附近。随着用户实际需求的不断扩大,机载Lidar 系统不仅能够探测陆地地表信息,还应该能够满足对非陆地,比如水域等的探测需求。探测不同类型区域目标应采用合适的探测波段,因此机载Lidar 系统会朝着多波束方向发展[16]。

  软件方面,当前的机载Lidar 系统的处理软件也比较多,但相对于硬件系统而言是落后的。机载Lidar 系统的软件主要用于处理Lidar 数据,并生产多类型的数据产品。就此而言,Lidar 系统的软件发展主要体现在以下两方面:

  1)数据处理方面。

  Lidar 系统具有全天时的数据获取能力,而且效率高、速度快。面对不同Lidar 系统获取的多时相、多气候条件下的海量数据,软件系统的发展应该不断提高其处理数据的速度,提高其处理不同类型数据的能力。

  2)数据产品方面。

  Lidar 的软件系统不仅要能够快速高效地处理多类型数据,还要根据实际的需求,生产出满足应用需求的数据产品,保证产品的质量。当前的Lidar 软件系统能够提供一些满足实际需求的产品,但仍需要从理论和实践中探究数据处理的算法,提高数据产品的精度。

  机载Lidar 技术目前已经取得了很大的发展,在诸多领域都得到了广泛的应用。作为一种高效高精度的测绘探测技术,机载Lidar 技术会朝着获取多源数据、处理多源数据、生产多样数据产品方向发展,这对Lidar 的硬件系统和软件系统都有一定的要求。

RIEGL VQ-1560i机载激光雷达测量系统技术参数.jpg

机载激光雷达的详细技术参数

  2.2 应用前景

  1)机载激光雷达在测绘行业的应用前景。

  机载Lidar 硬件的发展,出现了平台多样化、型号多样化的特点,能满足大比例尺地图测绘、工程测量、变形监测等不同测绘行业的各种需求;而软件方面,数据处理速度的提升、数据处理量的增加、数据产品类型的丰富,将为测绘行业带来巨大的经济效益。

  2)机载激光雷达在林业的应用前景。

  随着机载Lidar 技术获取多源数据、处理多源数据能力提升,及其可直接获得单株木的位置、树高和冠幅这3 个垂直结构参数的特点,使得树种识别得到了一定程度的提高,而森林树种的精细识别是森林碳储量估算、森林生物多样性等研究的基础,因此,机载Lidar 的发展对于我国林业的发展也有质的提升[18]。

  3)机载激光雷达在水利行业的应用前景。

  机载Lidar 数据产品丰富、自动化程度高、获取数据精度高、生产周期短等优势,在水利枢纽工程中得到了较好的应用,可减小外业调查的工作量,提高工作效率、降低生产成品;无人机机载Lidar 系统更可在防汛抗旱、抢险救灾、水土保持监管、河道监管、冻土监测、山洪灾害调查、水温分析等水利行业的多个领域进行应用,具有较好的应用前景。

      飞燕空遥感拥有两台机载激光雷达(RIEGL VQ-1560i 机载激光雷达测量系统)应用于高密度点云测图及超大面积测绘的全波形数字化双激光发射器机载激光雷达系统。







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