易 恒

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300201)

1 概述

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LiDAR)能快速獲取地表地物高度數(shù)據(jù)和淺水水域深度，是從21世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種先進(jìn)的遙感測(cè)量技術(shù)。激光雷達(dá)根據(jù)傳感器搭載平臺(tái)的不同，可以分為地基、機(jī)載和星載激光雷達(dá)系統(tǒng)。無論哪種測(cè)量系統(tǒng)，原理上都是通過發(fā)射高重復(fù)頻率的激光脈沖和捕獲返回信號(hào)，通過時(shí)間差來計(jì)算地物的高度信息。

作為一種主動(dòng)遙感測(cè)量手段，機(jī)載LiDAR受到了越來越多的重視。機(jī)載LiDAR具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高效、實(shí)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，不易受到較迅速變化的氣候條件和光照、云層的影響，分辨率高，不需要或很少需要人進(jìn)入測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，不需要大量地面控制點(diǎn)，作業(yè)安全。對(duì)于沼澤、濕地等危險(xiǎn)地區(qū)和聲納技術(shù)難以測(cè)量的海岸沿線以及使用航空攝影測(cè)量方法獲取地形模型有困難的森林和沙漠地區(qū)，Li-DAR系統(tǒng)提供了一種直接高效的快速測(cè)量手段。德國(guó)測(cè)量局通過成本效益分析計(jì)算表明:用機(jī)載LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的成本僅為航空攝影測(cè)量成本的25%～33%(Petzold，Reiss et al.1999;Mitasova，Mitas et al.2005)。地球地表地形復(fù)雜的山脊、溝谷、森林覆蓋地區(qū)、沙漠、濕地等眾多，而世界海洋中約有7×1 012 m2的深度在30 m以內(nèi)，使得機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)有巨大的應(yīng)用潛力和廣闊的發(fā)展前景。

2 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式的不同，獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)有點(diǎn)云和波形兩種形式(見圖1)。波形記錄方式將返回的信號(hào)每間隔一定時(shí)間全部記錄下來，從而能完整地反映地物剖面信息。相反，點(diǎn)云記錄方式只是記錄特定的幾個(gè)返回信號(hào)，有可能丟失部分重要的垂直信息。由于受能量的限制，波形記錄的LiDAR一般都是大光斑，從10 m～70 m不等，近來也有一些小腳印光斑的波形記錄 LiDAR 問世(Wagner，Ullrich et al.2006;Wagner，Hollaus et al.2008)。最具有代表性的三個(gè)波形記錄 LiDAR是 SLICER(Scanning Lidar Imager of Canopies by Echo Recovery)，LVIS(Laser Vegetation Imaging Sensor)，GLAS(Geosciences Laser Altimeter System)。其中GLAS是星載激光雷達(dá)，于2009年停止工作。SLICER和LVIS是機(jī)載的，SLICER也已停用，LVIS是美國(guó)宇航局在發(fā)射搭載GLAS平臺(tái)的ICESAT衛(wèi)星之前用于機(jī)載測(cè)試使用，在美國(guó)和拉美有很多次飛行，其數(shù)據(jù)免費(fèi)提供給全球用戶使用。

盡管波形記錄方式LiDAR有很多優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)同樣能滿足應(yīng)用需求。目前，激光傳感器的主要提供商有四家:Optech(http://www.optech.ca/)，Toposys(http://www.trimble.com/imaging/)，Leica(http://www.leica-geosystems.us/en/index.htm)和Riegl(http://www.riegl.com/)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)儀器的具體參數(shù)，考慮飛行高度、飛行速度、掃描頻率、脈沖頻率、最大掃描視場(chǎng)角等參數(shù)設(shè)置。表1給出了常用的點(diǎn)云記錄LiDAR飛行技術(shù)參數(shù)。隨著20世紀(jì)以來激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，由于表1給出的這些傳感器自身的局限性，如較小的視場(chǎng)角對(duì)幅寬的限制等，一些新的傳感器呼之欲出，性能大大超過了之前這些傳感器。表2列出了一些新型的傳感器及其飛行技術(shù)參數(shù)。這些先進(jìn)的商用激光傳感器為激光測(cè)繪提供了更高精度的數(shù)據(jù)。

表1 經(jīng)典LiDAR傳感器及其飛行參數(shù)

不管哪類激光傳感器，機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)都由三部分組成:激光器(Laser)，用于激光測(cè)距;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS，Inertial Navigation System)，用于記錄飛行平臺(tái)的傾斜、移動(dòng)、偏航等姿態(tài)信息;衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如美國(guó)的GPS(Global Positioning System)，俄羅斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System)，用于記錄位置信息。三大系統(tǒng)的結(jié)合為精確的計(jì)時(shí)和距離測(cè)量提供了技術(shù)支撐(Lefsky，Cohen et al.2002)。實(shí)際上，正是由于激光、慣性導(dǎo)航和全球定位技術(shù)的發(fā)展促成了激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)的迅猛發(fā)展(Lim，Treitz et al.2003)。

表2 新型LiDAR傳感器及其飛行參數(shù)

3 激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用

伴隨著硬件和軟件的發(fā)展，激光雷達(dá)在各種領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用(Kotchenova，Song et al.2004;Hinsley，Hill et al.2006;Hopkinson，Popescu et al.2007;Wang and Philpot 2007)。其主要應(yīng)用于:地形制圖、城市三維制圖、道路工程建設(shè)、電力巡線、森林生態(tài)參數(shù)制圖等。

3.1 地形制圖

LiDAR在地形測(cè)圖方面的應(yīng)用非常廣泛。測(cè)圖界越來越達(dá)成一個(gè)共識(shí)，那就是LiDAR將成為獲取DEM(數(shù)字高程模型)和DTM(數(shù)字表面模型)的另一種選擇，它的垂直精度能夠達(dá)到15 cm～100 cm(Yang 2005)。天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院在海南省文瓊高速公路項(xiàng)目中利用LiDAR技術(shù)完整地獲取了近100 km2測(cè)區(qū)的DEM和DTM，基本滿足了設(shè)計(jì)人員的數(shù)據(jù)需求，如圖2所示。

3.2 城市三維制圖

城市三維制圖被認(rèn)為是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用之一(Murakami，Nakagawa et al.1999)。激光雷達(dá)所能產(chǎn)生的表面模型在城市數(shù)字正射影像的生成(Maas and Vosselman 1999)、三維建筑重建、城市建模和城市空氣污染研究等方面都有廣泛應(yīng)用(Sampath and Shan 2007;Sohn and Dowman 2007)。在城市三維制圖方面，研究的主要熱點(diǎn)包括城市數(shù)字高程模型提取，城市數(shù)字高程模型對(duì)提取地表特征信息如建筑物高度有直接影響，還能為城市規(guī)劃、洪水控制、旅游等提供信息(Cobby，Mason et al.2001;Webster，F(xiàn)orbes et al.2004;Raber，Jensen et al.2007)。如圖 3，圖 4 所示，用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)生成的天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院辦公樓周邊的三維可量測(cè)模型。

3.3 道路工程建設(shè)

通過激光雷達(dá)獲取的地面三維高程信息能夠使決策者對(duì)于道路規(guī)劃區(qū)域的環(huán)境有一個(gè)清晰的了解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行道路的選線，土方工程量的估算以及周邊環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等(Toth and Grejner-Brzezinska 2006)。激光雷達(dá)方法較常規(guī)所采用的差分GPS、全站儀和攝影測(cè)量方法在性能價(jià)格上具有很大的優(yōu)勢(shì)，且效率大為提高(Clode，Rottensteiner et al.2007)。

3.4 電力巡線

美國(guó)、加拿大、西歐很多國(guó)家20世紀(jì)80年代以來開始把此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)電力巡線系統(tǒng)中(McLaughlin 2006)。一些大的電力營(yíng)運(yùn)公司利用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)電力線路通道走廊進(jìn)行GPS定位、激光三維空間掃描，能準(zhǔn)確測(cè)定通道走廊的三維空間圖像，給出定位尺寸，可用于線路勘測(cè)、老線路最新立體走向圖的繪制和線路對(duì)地安全距離的監(jiān)測(cè)，達(dá)到選線、建立線路微機(jī)臺(tái)站和防止樹枝碰線等目的。

3.5 森林生態(tài)參數(shù)制圖

激光雷達(dá)技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用，尤其是在林木高度測(cè)量和林分的垂直結(jié)構(gòu)信息獲取方面，國(guó)外已經(jīng)取得了大量成功的研究(Hill and Thomson 2005;Moffiet，Mengersen et al.2005;Wynne 2006;Naesset and Nelson 2007)。

4 結(jié)語

從世界上第一臺(tái)三維激光掃描儀的問世以來，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)走過了十幾年的歷程;它是繼GPS之后，測(cè)繪行業(yè)在技術(shù)上的又一次飛躍。在十幾年的發(fā)展歷程中，三維激光掃描技術(shù)無論是在硬件設(shè)施上，還是在應(yīng)用領(lǐng)域上，都在快速不斷的向前發(fā)展。如今，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段，使我們從傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)數(shù)據(jù)獲取，不僅提高了觀測(cè)的精度和速度，而且使數(shù)據(jù)的獲取和處理朝智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。

在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，激光掃描甚至已經(jīng)成為一種主流的測(cè)繪方法——它已被60%的英國(guó)測(cè)量公司用于生成2D和3D的線性或幾何目標(biāo):如道路，建筑物，結(jié)構(gòu)體或其他幾何目標(biāo)。激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用將為設(shè)計(jì)人員提供更為精確的三維空間數(shù)據(jù)，并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步。

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