LIDAR技術的介紹及特點

發布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：17296

　　1、 LIDAR技術簡(jian)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(de)不同，分(fen)為機(ji)載LIDAR和地面LIDAR兩種模式(shi)。其中機(ji)載LIDAR多用于(yu)大比(bi)例尺(chi)地形(xing)測量，如地形(xing)圖繪制等(deng)；而地面LIDAR適合更精(jing)(jing)細、更高精(jing)(jing)度的(de)復(fu)雜地物量測，如古建(jian)筑三維模型(xing)重建(jian)、復(fu)雜場館量測等(deng)。

　　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(de)測(ce)量原(yuan)理

　　LIDAR系統中的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)測(ce)距(ju)儀包括(kuo)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)單束(shu)窄帶(dai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器和(he)一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)接收(shou)系統。激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器產生并發(fa)射(she)一(yi)(yi)(yi)束(shu)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)，打(da)在(zai)(zai)物(wu)體上(shang)并反(fan)射(she)回(hui)來，最終被(bei)接收(shou)器所(suo)接收(shou)。接收(shou)器準確(que)地(di)測(ce)量(liang)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)從發(fa)射(she)到(dao)被(bei)反(fan)射(she)回(hui)來的(de)(de)(de)傳(chuan)播(bo)時(shi)間。因為(wei)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)以光(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)傳(chuan)播(bo)，所(suo)以接收(shou)器總會在(zai)(zai)下一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)發(fa)出(chu)之前收(shou)到(dao)前一(yi)(yi)(yi)個(ge)(ge)被(bei)反(fan)射(she)回(hui)的(de)(de)(de)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)。由于光(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)是已(yi)知的(de)(de)(de)，傳(chuan)播(bo)時(shi)間就(jiu)(jiu)可(ke)以被(bei)轉換為(wei)對距(ju)離的(de)(de)(de)測(ce)量(liang)。結合激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)高(gao)度，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)掃描的(de)(de)(de)角度，從GPS得到(dao)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)位(wei)置(zhi)和(he)從INS得到(dao)的(de)(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)發(fa)射(she)方向，就(jiu)(jiu)可(ke)以準確(que)地(di)計算出(chu)當(dang)前的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)所(suo)對應(ying)的(de)(de)(de)地(di)面光(guang)(guang)(guang)(guang)斑的(de)(de)(de)（X，Y，Z）。一(yi)(yi)(yi)般激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)發(fa)射(she)的(de)(de)(de)頻率可(ke)以達到(dao)每秒(miao)幾(ji)萬個(ge)(ge)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)。很多(duo)(duo)LIDAR系統還能記錄同一(yi)(yi)(yi)脈(mo)(mo)沖(chong)(chong)(chong)的(de)(de)(de)多(duo)(duo)次反(fan)射(she)，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)可(ke)能先打(da)在(zai)(zai)樹(shu)冠的(de)(de)(de)頂端(duan)，其中的(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)部繼續向下打(da)在(zai)(zai)更多(duo)(duo)的(de)(de)(de)樹(shu)葉(xie)或枝(zhi)干上(shang)，有些甚至打(da)在(zai)(zai)地(di)面上(shang)被(bei)返回(hui)，這樣就(jiu)(jiu)會有一(yi)(yi)(yi)組多(duo)(duo)次返回(hui)的(de)(de)(de)具有X、Y、Z坐標的(de)(de)(de)點記錄，并分層表示(shi)。利用(yong)這個(ge)(ge)特點，我們可(ke)以通過分類(lei)和(he)濾波處(chu)理，獲取(qu)地(di)面高(gao)程(cheng)以及樹(shu)高(gao)及建筑物(wu)的(de)(de)(de)高(gao)度等信息。

　　2.3 測量精度分析(xi)

　　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(li)用機載LIDAR系統(tong)進行測(ce)高(gao)作業，根據不同的航(hang)高(gao)，其平面精度可(ke)(ke)以(yi)達到(dao)0.15至1m，高(gao)程精度可(ke)(ke)達到(dao)10cm至30cm，地面分(fen)辨(bian)率甚至可(ke)(ke)達到(dao)厘米級(ji)。

　　3、 LIDAR系統的數據(ju)處理過程(cheng)

　　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(shu)據的預(yu)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(ju)的后期處理(li)

　　LIDAR數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)后(hou)期處(chu)理(li)是(shi)(shi)對與處(chu)理(li)過的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)依據(ju)(ju)(ju)數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)的(de)(de)(de)高(gao)程(cheng)信息，區別定性(xing)分(fen)(fen)類(lei)(lei)，生成最(zui)終(zhong)產品。這里的(de)(de)(de)分(fen)(fen)類(lei)(lei)實際上(shang)是(shi)(shi)按照某(mou)一點(dian)(dian)的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據(ju)(ju)(ju)高(gao)程(cheng)信息區分(fen)(fen)該點(dian)(dian)是(shi)(shi)否是(shi)(shi)地表點(dian)(dian)。一般根(gen)據(ju)(ju)(ju)絕對高(gao)程(cheng)或(huo)設(she)定閾值來去除明(ming)顯的(de)(de)(de)異常點(dian)(dian)，也可以根(gen)據(ju)(ju)(ju)其他的(de)(de)(de)濾(lv)波(bo)算(suan)法進行(xing)噪聲(sheng)點(dian)(dian)濾(lv)除。根(gen)據(ju)(ju)(ju)多重回(hui)波(bo)性(xing)質進行(xing)植被分(fen)(fen)類(lei)(lei)，然后(hou)提取出地面點(dian)(dian)、建筑物上(shang)的(de)(de)(de)點(dian)(dian)等，再(zai)從地面點(dian)(dian)中抽取一定密度的(de)(de)(de)點(dian)(dian)來建立地表面高(gao)程(cheng)模型(xing)。

　　3.3 數據檢查(cha)

　　預處理(li)的(de)(de)質量控(kong)制(zhi)就是(shi)(shi)(shi)將預處理(li)過程中生成的(de)(de)點云文(wen)件和說明文(wen)件進(jin)行檢(jian)查，檢(jian)查處理(li)過程是(shi)(shi)(shi)否(fou)(fou)正確，精度是(shi)(shi)(shi)否(fou)(fou)達到要(yao)求(qiu)。后(hou)期處理(li)的(de)(de)質量控(kong)制(zhi)主要(yao)是(shi)(shi)(shi)檢(jian)查處理(li)好的(de)(de)數(shu)據是(shi)(shi)(shi)否(fou)(fou)真(zhen)實合理(li)，是(shi)(shi)(shi)否(fou)(fou)按要(yao)求(qiu)進(jin)行了準(zhun)確的(de)(de)分類(lei)。

　　4、 LIDAR系(xi)統(tong)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(tong)的(de)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(shu)據，可以(yi)(yi)分析(xi)森(sen)林樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)的覆蓋(gai)(gai)(gai)率和(he)覆蓋(gai)(gai)(gai)面積(ji)，了解樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)的疏(shu)密程度、年長樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)的覆蓋(gai)(gai)(gai)面積(ji)和(he)年幼樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)覆蓋(gai)(gai)(gai)面積(ji)。這就(jiu)便于(yu)人(ren)們在(zai)茂盛森(sen)林中(zhong)適(shi)當砍伐樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)，在(zai)林木(mu)(mu)(mu)(mu)稀疏(shu)或(huo)無植被區域進行(xing)樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)種植。另外，通過LIDAR數(shu)據可以(yi)(yi)概(gai)算出森(sen)林占地面積(ji)和(he)樹(shu)木(mu)(mu)(mu)(mu)的平(ping)均高度，以(yi)(yi)及(ji)木(mu)(mu)(mu)(mu)材量的多少，便于(yu)相關部門(men)進行(xing)決策。

　　在進行電力(li)線(xian)路(lu)(lu)設計時，通過LIDAR數據可以(yi)(yi)了解整(zheng)個線(xian)路(lu)(lu)設計區(qu)域內的(de)地(di)形和(he)地(di)物(wu)要素(su)的(de)情(qing)況(kuang)。尤(you)其是在樹木(mu)密集(ji)處(chu)，可以(yi)(yi)估(gu)算(suan)出需(xu)要砍伐樹木(mu)的(de)面積和(he)木(mu)材量。在進行電力(li)搶修和(he)維護時，根據電力(li)線(xian)路(lu)(lu)上(shang)的(de)LIDAR數據和(he)相應的(de)地(di)面裸露點的(de)高程可以(yi)(yi)測算(suan)出任意一處(chu)線(xian)路(lu)(lu)距離地(di)面的(de)高度，這樣就可以(yi)(yi)便于(yu)搶修和(he)維護。

　　4.3 目前LIDAR系統存在的(de)問題(ti)

　　當然(ran)LIDAR技術也有其不盡人(ren)意(yi)之處(chu)。例(li)如LIDAR數(shu)據(ju)在密林及密集(ji)建筑區(qu)，由于(yu)激光雷達有多次回波，在數(shu)據(ju)濾波的時(shi)候不能得到滿(man)意(yi)的地(di)表(biao)信息數(shu)據(ju)。這(zhe)種地(di)區(qu)的數(shu)字地(di)面模型，仍只能采用(yong)普(pu)通方法獲取(qu)。

　　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(zhan)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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