LIDAR技術(shù)的介紹及特點

發(fā)布日期：2018-05-31 00:00 瀏覽量：13987

　　1、 LIDAR技術(shù)簡介

　　LIDAR技術(shù)是近二十年來攝影測量與遙感領(lǐng)域具有革命性的成就之一。隨著空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，對獲取準確可靠空間數(shù)據(jù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)的攝影測量因為生產(chǎn)周期長、費用高、高程點獲取的密度低，已經(jīng)不能夠完全滿足當(dāng)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(shù)據(jù)的技術(shù)隨之孕育而生。

　　LIDAR系統(tǒng)根據(jù)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(fù)雜地物量測，如古建筑三維模型重建、復(fù)雜場館量測等。

　　LIDAR是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)。這三種技術(shù)的結(jié)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(shù)據(jù)，相比航拍數(shù)據(jù)和二維矢量數(shù)據(jù)，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(yōu)勢。

　　2、 LIDAR系統(tǒng)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(tǒng)。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(jié)合飛機上傳感器定位、定向數(shù)據(jù)，精確量測出被動物體（目標）的三維坐標。

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　　2.1 系統(tǒng)組成

　　機載LIDAR系統(tǒng)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(tǒng)（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；基于差分技術(shù)的全球定位系統(tǒng)（GPS），用于確定掃描中心的空間位置；高分辨率數(shù)碼相機，用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像，最終制作正射影像。

　　2.2 LIDAR的測量原理

　　LIDAR系統(tǒng)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(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)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(fā)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(fā)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(zhuǎn)換為對距離的測量。結(jié)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(fā)射方向，就可以準確地計算出當(dāng)前的光束所對應(yīng)的地面光斑的（X，Y，Z）。一般激光束發(fā)射的頻率可以達到每秒幾萬個脈沖。很多LIDAR系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)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(nèi)在因素。大多數(shù)內(nèi)在因素是已知的并可預(yù)測的。外在因素包括：飛行計劃、飛行條件、大氣環(huán)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(chǎn)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(shù)。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(tǒng)進行測高作業(yè)，根據(jù)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(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程

　　LIDAR技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)中，其數(shù)據(jù)處理過程分為三部分，分別是預(yù)處理、后期處理、質(zhì)量檢查。質(zhì)量檢查需兩次，分別在預(yù)處理、后期處理結(jié)束后進行。

　　3.1 LIDAR數(shù)據(jù)的預(yù)處理

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

　　3.2 LIDAR數(shù)據(jù)的后期處理

　　LIDAR數(shù)據(jù)的后期處理是對與處理過的數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)的高程信息，區(qū)別定性分類，生成最終產(chǎn)品。這里的分類實際上是按照某一點的數(shù)據(jù)高程信息區(qū)分該點是否是地表點。一般根據(jù)絕對高程或設(shè)定閾值來去除明顯的異常點，也可以根據(jù)其他的濾波算法進行噪聲點濾除。根據(jù)多重回波性質(zhì)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(shù)據(jù)檢查

　　預(yù)處理的質(zhì)量控制就是將預(yù)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(zhì)量控制主要是檢查處理好的數(shù)據(jù)是否真實合理，是否按要求進行了準確的分類。

　　4、 LIDAR系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

　　4.1 LIDAR系統(tǒng)的特點

　　機載激光雷達系統(tǒng)與機載GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS以及CCD相機結(jié)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(guī)的航空攝影測量相比，其數(shù)據(jù)獲取條件具有獨特優(yōu)勢。

　　同傳統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(tǒng)航測方式無能為力的陰影地區(qū)，其獲取數(shù)據(jù)的精度完全不受影響。由于采用激光回波探測原理，LIDAR數(shù)據(jù)的高程精度和比例尺與測量時的航高無關(guān)。采集的每個地面點都帶有真實三維坐標，需要布設(shè)的野外地面控制點相比于傳統(tǒng)的航測有很大的減少，這就減少了生產(chǎn)作業(yè)量，使航測制圖更加快捷。

　　4.2 LIDAR系統(tǒng)的應(yīng)用

　　隨著計算技術(shù)以及GPS技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用，LIDAR技術(shù)經(jīng)過近20年的發(fā)展，其技術(shù)已經(jīng)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(qū)，LIDAR技術(shù)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(tǒng)不僅僅局限于獲取數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，而且廣泛應(yīng)用于城市三維模型的直接獲取、GIS數(shù)據(jù)獲取、高壓線監(jiān)測、林業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域。

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

　　根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)，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(dāng)砍伐樹木，在林木稀疏或無植被區(qū)域進行樹木種植。另外，通過LIDAR數(shù)據(jù)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(guān)部門進行決策。

　　在進行電力線路設(shè)計時，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)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(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)和相應(yīng)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(tǒng)存在的問題

　　當(dāng)然LIDAR技術(shù)也有其不盡人意之處。例如LIDAR數(shù)據(jù)在密林及密集建筑區(qū)，由于激光雷達有多次回波，在數(shù)據(jù)濾波的時候不能得到滿意的地表信息數(shù)據(jù)。這種地區(qū)的數(shù)字地面模型，仍只能采用普通方法獲取。

　　在LIDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理階段，因為LIDAR是由多種設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其獲取的數(shù)據(jù)也有很多種，信息獲取時的數(shù)據(jù)流程也比較復(fù)雜。目前原始數(shù)據(jù)的獲取和激光腳點坐標解算、精度控制等都由硬件生產(chǎn)廠家在提供原始數(shù)據(jù)時進行的，但因為用戶不同，他們對數(shù)據(jù)的要求也不同，有時硬件廠家提供的數(shù)據(jù)不滿足要求。所以迫切需要算法豐富、功能完備的LIDAR數(shù)據(jù)處理平臺來滿足不同用戶和應(yīng)用的需求。此外，LIDAR系統(tǒng)定位的基本原理是測角和測邊，而激光雷達系統(tǒng)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(qū)域，而且航帶間要保持一定的旁向重疊度。由于存在著系統(tǒng)定位和姿態(tài)測量誤差，那么在旁向重疊區(qū)域會出現(xiàn)高程相對漂移。在LIDAR數(shù)據(jù)中，很難判讀同名點，也就無法找到重疊區(qū)域的聯(lián)系點，這使得傳統(tǒng)航空攝影測量數(shù)據(jù)處理中對重疊區(qū)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(shù)據(jù)有其自身的優(yōu)勢，但圖像數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)集中往往會出現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)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(shù)，激光雷達技術(shù)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(chǎn)生遮擋的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象帶來的一個直接問題是位于數(shù)據(jù)縫隙的內(nèi)插點（高程）數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中判斷是否存在這些縫隙，并采取相應(yīng)的處理。

　　5、展望

　　機載LIDAR技術(shù)是實現(xiàn)空間三維坐標和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精度獲取的國際領(lǐng)先的空間技術(shù)，在采集地標數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)航空攝影測量所無法比擬的巨大優(yōu)勢。三維激光雷達技術(shù)是高精度逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)的革命，是進行大區(qū)域空間監(jiān)測的利器。隨著技術(shù)的成熟，LIDAR數(shù)據(jù)處理技術(shù)會得到改進，激光雷達的應(yīng)用領(lǐng)域和深度也會日益拓寬和加深。

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