LIDAR技術的介紹及特點

發布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：16169

　　1、 LIDAR技術簡介

　　LIDAR技術是近二十年來攝影測量與遙感領域具有革命性的成就之一。隨著空間數據應用領域的不斷擴大，對獲取準確可靠空間數據的要求也越來越高。傳統的攝影測量因為生產周期長、費用高、高程點獲取的密度低，已經不能夠完全滿足當前信息社會的需要。LIDAR作為一種能夠快速精確地獲取地面三維數據的技術隨之孕育而生。

　　LIDAR系統根據載體的不同，分為機載LIDAR和地面LIDAR兩種模式。其中機載LIDAR多用于大比例尺地形測量，如地形圖繪制等；而地面LIDAR適合更精細、更高精度的復雜地物量測，如古建筑三維模型重建、復雜場館量測等。

　　LIDAR是一種集激光、全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）三種技術于一身的系統。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束搭載物體上的光斑。它能快速獲取地表點三維數據，相比航拍數據和二維矢量數據，有著更高的高程精度，在獲取高精度DEM尤其是大比例尺的高精度DEM方面有著很大的優勢。

　　2、 LIDAR系統概述

　　LIDAR是英文LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母組合，即激光探測及測距系統。它是采用單個激光脈沖量測從激光源到目標，再回到激光接收器的時間，同時結合飛機上傳感器定位、定向數據，精確量測出被動物體（目標）的三維坐標。

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　　2.1 系統組成

　　機載LIDAR系統主要包括：激光測距儀，用于測量傳感器到地面點的距離；高精度觀星測量系統（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態參數；基于差分技術的全球定位系統（GPS），用于確定掃描中心的空間位置；高分辨率數碼相機，用于獲取對應地面的彩色數碼影像，最終制作正射影像。

　　2.2 LIDAR的測量原理

　　LIDAR系統中的激光測距儀包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生并發射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回來的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到前一個被反射回的脈沖。由于光速是已知的，傳播時間就可以被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描的角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向，就可以準確地計算出當前的光束所對應的地面光斑的（X，Y，Z）。一般激光束發射的頻率可以達到每秒幾萬個脈沖。很多LIDAR系統還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹冠的頂端，其中的一部繼續向下打在更多的樹葉或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會有一組多次返回的具有X、Y、Z坐標的點記錄，并分層表示。利用這個特點，我們可以通過分類和濾波處理，獲取地面高程以及樹高及建筑物的高度等信息。

　　2.3 測量精度分析

　　激光具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個厘米。而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素外，還取決于激光、GPS及慣性測量單元（IMU）三者同步等內在因素。大多數內在因素是已知的并可預測的。外在因素包括：飛行計劃、飛行條件、大氣環境的影響、地形起伏以及植被的覆蓋等等。因為由GPS、IMU及激光器產生的誤差是可測知的，所以可以認為LIDAR所獲得的點集（X，Y，Z）是一個描述地形和植被覆蓋情況的函數。在理想的點陣密度下，反射點的精度就是DEM精度。利用機載LIDAR系統進行測高作業，根據不同的航高，其平面精度可以達到0.15至1m，高程精度可達到10cm至30cm，地面分辨率甚至可達到厘米級。

　　3、 LIDAR系統的數據處理過程

　　LIDAR技術應用在生產中，其數據處理過程分為三部分，分別是預處理、后期處理、質量檢查。質量檢查需兩次，分別在預處理、后期處理結束后進行。

　　3.1 LIDAR數據的預處理

　　LIDAR數據的預處理過程主要可以分為POS數據解算和生成三維點云兩個部分。POS數據解算就是提取出LIDAR系統的GPS數據和IMU數據和其他的輔助數據，通過對GPS數據進行差分擬合，得到激光發射瞬間激光發射器的精確GPS坐標；通過GPS定位數據、IMU數據和其他輔助數據進行聯合解算，得到精確的六個外方位元素。利用POS解算數據和大氣校正、距離校正、掃描儀校正等參數，可以解算出每一個激光對應的地面光斑的三維坐標，生成后續處理需要的三維點云文件。

　　3.2 LIDAR數據的后期處理

　　LIDAR數據的后期處理是對與處理過的數據依據數據的高程信息，區別定性分類，生成最終產品。這里的分類實際上是按照某一點的數據高程信息區分該點是否是地表點。一般根據絕對高程或設定閾值來去除明顯的異常點，也可以根據其他的濾波算法進行噪聲點濾除。根據多重回波性質進行植被分類，然后提取出地面點、建筑物上的點等，再從地面點中抽取一定密度的點來建立地表面高程模型。

　　3.3 數據檢查

　　預處理的質量控制就是將預處理過程中生成的點云文件和說明文件進行檢查，檢查處理過程是否正確，精度是否達到要求。后期處理的質量控制主要是檢查處理好的數據是否真實合理，是否按要求進行了準確的分類。

　　4、 LIDAR系統的發展現狀

　　4.1 LIDAR系統的特點

　　機載激光雷達系統與機載GPS、慣性導航系統INS以及CCD相機結合，能夠進行精確的空間定位。由于采用激光測距方式，與常規的航空攝影測量相比，其數據獲取條件具有獨特優勢。

　　同傳統的攝影測量相比，激光點云的地標測量采集間距在0.8-1.2m之間，甚至更小，數據密度極大，非常有利于真實地面高程模型的獲取。由于激光具有多次回波特性，任一束激光穿越植被空隙時，可以返回葉面、枝椏、地面等多個高程數據，有效克服植被影響，更接近地面真實高程。激光雷達采用主動測量方式，不依賴自然光，在因太陽高度角、植被、山嶺等影響傳統航測方式無能為力的陰影地區，其獲取數據的精度完全不受影響。由于采用激光回波探測原理，LIDAR數據的高程精度和比例尺與測量時的航高無關。采集的每個地面點都帶有真實三維坐標，需要布設的野外地面控制點相比于傳統的航測有很大的減少，這就減少了生產作業量，使航測制圖更加快捷。

　　4.2 LIDAR系統的應用

　　隨著計算技術以及GPS技術的進一步發展和應用，LIDAR技術經過近20年的發展，其技術已經完全成熟。在使用攝影測量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區，LIDAR技術提供了一種直接獲取地形表面模型的有效手段。通過與影像以及信息的融合，LIDAR系統不僅僅局限于獲取數字高程模型數據等傳統的應用領域，而且廣泛應用于城市三維模型的直接獲取、GIS數據獲取、高壓線監測、林業監測等領域。

　　LIDAR利用激光傳感器對地面進行掃描，同時利用慣性導航系統實時定位飛機姿態，再加上GPS觀測坐標，還可以打開LIDAR攜帶的數碼相機進行航空攝影，獲取相片數據。利用這些高精度的數據可以得到大范圍高精度的4D產品。

　　根據LIDAR數據，可以分析森林樹木的覆蓋率和覆蓋面積，了解樹木的疏密程度、年長樹木的覆蓋面積和年幼樹木覆蓋面積。這就便于人們在茂盛森林中適當砍伐樹木，在林木稀疏或無植被區域進行樹木種植。另外，通過LIDAR數據可以概算出森林占地面積和樹木的平均高度，以及木材量的多少，便于相關部門進行決策。

　　在進行電力線路設計時，通過LIDAR數據可以了解整個線路設計區域內的地形和地物要素的情況。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量。在進行電力搶修和維護時，根據電力線路上的LIDAR數據和相應的地面裸露點的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護。

　　4.3 目前LIDAR系統存在的問題

　　當然LIDAR技術也有其不盡人意之處。例如LIDAR數據在密林及密集建筑區，由于激光雷達有多次回波，在數據濾波的時候不能得到滿意的地表信息數據。這種地區的數字地面模型，仍只能采用普通方法獲取。

　　在LIDAR數據預處理階段，因為LIDAR是由多種設備組成的復雜系統，其獲取的數據也有很多種，信息獲取時的數據流程也比較復雜。目前原始數據的獲取和激光腳點坐標解算、精度控制等都由硬件生產廠家在提供原始數據時進行的，但因為用戶不同，他們對數據的要求也不同，有時硬件廠家提供的數據不滿足要求。所以迫切需要算法豐富、功能完備的LIDAR數據處理平臺來滿足不同用戶和應用的需求。此外，LIDAR系統定位的基本原理是測角和測邊，而激光雷達系統的掃描帶寬是有限的，那么在進行大面積測量時，必須飛行多條航帶才可以覆蓋待測區域，而且航帶間要保持一定的旁向重疊度。由于存在著系統定位和姿態測量誤差，那么在旁向重疊區域會出現高程相對漂移。在LIDAR數據中，很難判讀同名點，也就無法找到重疊區域的聯系點，這使得傳統航空攝影測量數據處理中對重疊區域的誤差消除和平差的算法不能使用，因此必須研究新的拼接模型。

　　激光雷達直接獲取點位的三維坐標，但忽略了反映對象特征的其他信息，如光譜信息。盡管在提取空間位置信息上，激光雷達數據有其自身的優勢，但圖像數據包含光譜信息對認識主題也具有重要的作用。目前一般在LIDAR上都集成有數碼相機作為光譜信息的補充。此外，由于遮擋、物體特性等因素，數據集中往往會出現沒有數據的部分（縫隙），一個明顯的例子是“陰影”。作為一種主動式信息獲取技術，激光雷達技術掃描角度有限，對光照度不敏感，因而受陰影影響相對較小。但位于掃描帶邊緣的建筑物等仍然會產生遮擋的現象。這種現象帶來的一個直接問題是位于數據縫隙的內插點（高程）數據可能與實際情況存在較大差異，這就需要采用新方法在原始數據中判斷是否存在這些縫隙，并采取相應的處理。

　　5、展望

　　機載LIDAR技術是實現空間三維坐標和影像數據同步、快速、高精度獲取的國際領先的空間技術，在采集地標數據方面具有傳統航空攝影測量所無法比擬的巨大優勢。三維激光雷達技術是高精度逆向三維建模及重構技術的革命，是進行大區域空間監測的利器。隨著技術的成熟，LIDAR數據處理技術會得到改進，激光雷達的應用領域和深度也會日益拓寬和加深。

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