機載激光雷達(Lidar)的優(yōu)勢與發(fā)展前景

　　機載激光雷達技術(shù)在各個方面迅速發(fā)展，相對于其它航空遙感技術(shù)，機載激光雷達技術(shù)是航空遙感技術(shù)領域的一場革命。但目前機載激光雷達數(shù)據(jù)主要應用于基礎測繪、三維城市建模和林業(yè)應用、鐵路、電力等。LiDAR 技術(shù)的研究和應用飛速發(fā)展，國外陸續(xù)研發(fā)并生產(chǎn)出商用LiDAR 系統(tǒng)占領了大量市場。常見的商業(yè)激光雷達系統(tǒng)主要有Leica公司的ALS80-HA 系統(tǒng)、Optech 公司的ALTMS 系統(tǒng)、Saab 公司的TopEye 系統(tǒng)、Riegl 公司的LMS-Q 系列系統(tǒng)等。我國近年來LiDAR 事業(yè)發(fā)展也較快，能生產(chǎn)一些實用性的LiDAR 設備，LiDAR 技術(shù)的實踐應用也不斷拓展和深入。

機載激光雷達樣式

　　1 機載激光雷達技術(shù)的特點與優(yōu)勢

　　激光雷達技術(shù)作為一種新興的測繪探測技術(shù)，和其他測繪探測技術(shù)手段相比，具有一定優(yōu)勢。

　　1)激光雷達技術(shù)是一種主動式測繪地表空間信息的技術(shù)手段。

　　測繪探測技術(shù)手段總體來說可以分為兩大類：主動式和被動式。被動式測繪探測技術(shù)獲取的信息來自于目標反射的電磁波信息(如太陽光)或者目標自身輻射的電磁波信息，此類型的測量技術(shù)手段受天氣、光照等自然條件的影響和制約。機載激光雷達技術(shù)屬于主動式探測手段，通過主動發(fā)射激光脈沖，獲取探測目標反射回來的信號并處理得到地表目標的空間信息。因此，機載激光雷達技術(shù)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢。例如在汶川地震中，機載激光雷達技術(shù)就在惡劣復雜的環(huán)境中獲取了高精度的地面空間信息。

機載激光雷達掃描樣式

　　2)機載激光雷達技術(shù)獲取空間信息的速度快，效率高，作業(yè)安全。

　　機載激光雷達技術(shù)通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測工作，能在短時間內(nèi)獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息，工作效率較高。和傳統(tǒng)的人工測量的技術(shù)手段相比，極大地減少了工作量，縮短了外業(yè)測量的時間，提高了探測工作的效率。利用無人機等飛行器進行探測，可以對很多較為危險的區(qū)域進行探測，使得作業(yè)的安全性得以保障。這些優(yōu)勢在電力巡線中有很好的應用。

　　3)機載激光雷達發(fā)射的激光脈沖對于植被具有一定的穿透作用。

　　在對森林等區(qū)域進行探測時，存在著樹木等植被的枝葉遮擋的情況，這對探測的結(jié)果會有較大的影響。機載激光雷達技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號對植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，獲取森林地區(qū)的真實地形數(shù)據(jù)。

　　4)機載激光雷達技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精度較高。

　　探測技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)的精度，是評價該技術(shù)的重要方面和指標。機載激光雷達技術(shù)能快速獲取大范圍區(qū)域的地面目標的空間坐標，獲取的坐標具有較高的精度，保證了數(shù)據(jù)的可用性。在 1 km 的飛行高度下，機載 LiDAR 所獲取的點云數(shù)據(jù)的高程精度可以達到15~20 cm，平面精度可以達到 30~100 cm。

　　5)機載激光雷達技術(shù)提供的信息較為豐富。

　　機載激光雷達技術(shù)不僅能夠解算地面目標的三維空間坐標，同時可以記錄地面目標的強度信息，部分LiDAR系統(tǒng)還能夠記錄回波次數(shù)信息。豐富的信息為LiDAR數(shù)據(jù)的使用提供了更多的可能性。強度信息和地面目標的反射率密切相關，不同物體具有不同的反射特性，將強度信息和三維坐標信息結(jié)合使用，可以用于對探測目標進行識別和分類?；夭ù螖?shù)信息同樣也可以作為一種輔助信息來使用。機載激光雷達技術(shù)能夠提供豐富的信息，這也是LiDAR 技術(shù)的一大特點和優(yōu)勢。部分學者綜合使用LiDAR 設備采集的多種信息，取得了很好的效果。不同測繪探測技術(shù)的性能對比如表1。

　　表1 各種探測技術(shù)的對比[14]

　　激光雷達技術(shù)也存在著一定的不足，主要包括以下幾個方面：

　　1)機載激光雷達技術(shù)采集的數(shù)據(jù)具有一定的盲目性。

　　雖然LiDAR 技術(shù)能夠獲取大量的采樣數(shù)據(jù)，但其數(shù)據(jù)采集具有一定的盲目性，發(fā)射的激光點束不一定會打在關鍵的地形點上，可能導致關鍵地形點信息的缺失。而且，當發(fā)射的激光點束打在飛鳥、行人或者深井上，會造成點云數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差，因此在使用點云數(shù)據(jù)前，必須要進行粗差的探測與剔除。

　　2)機載激光雷達技術(shù)比較復雜，專業(yè)性強。

　　機載激光雷達是一種集成的設備，包含諸多先進的技術(shù)設備，如果沒有相應的技術(shù)能力，將無法合理操作。

　　3)機載激光雷達數(shù)據(jù)產(chǎn)品比較少。

　　目前機載激光雷達的產(chǎn)品比較單一，沒有充分發(fā)揮LiDAR 點云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，在具體的行業(yè)應用中，經(jīng)常需要專門設計對應的產(chǎn)品類型、指標和流程，程序比較繁瑣，且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。

　　2 機載激光雷達技術(shù)的發(fā)展趨勢及應用前景

　　2.1 發(fā)展趨勢

　　LiDAR 技術(shù)是新興的測繪技術(shù)，未來仍有很大的發(fā)展?jié)摿?。機載LiDAR 技術(shù)會朝著獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)多樣數(shù)據(jù)產(chǎn)品方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大方面。

　　硬件方面，當前的機載LiDAR 系統(tǒng)的硬件設備型號多樣，不同廠商提供了豐富多樣的LiDAR 硬件系統(tǒng)。LiDAR 系統(tǒng)的軟件發(fā)展主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)獲取方面。為滿足生產(chǎn)實際的需求，機載LiDAR 硬件系統(tǒng)需要往多平臺、多型號、多傳感器、多波束的方向發(fā)展。

　　1)機載LiDAR 硬件系統(tǒng)的平臺趨于多樣化，比如無人機搭載的LiDAR 系統(tǒng)就受到很多單位和研究人員的關注。

　　2)單一型號的硬件系統(tǒng)很難滿足實際的探測需求，適應不同探測條件的多型號LiDAR 系統(tǒng)正逐步發(fā)展起來。

　　3)多傳感器的LiDAR 系統(tǒng)具有更優(yōu)的探測能力。

　　4)傳統(tǒng)的LiDAR 系統(tǒng)主要針對陸地地表信息采集所用，其波長位于近紅外附近。隨著用戶實際需求的不斷擴大，機載LiDAR 系統(tǒng)不僅能夠探測陸地地表信息，還應該能夠滿足對非陸地，比如水域等的探測需求。探測不同類型區(qū)域目標應采用合適的探測波段，因此機載LiDAR 系統(tǒng)會朝著多波束方向發(fā)展[16]。

　　軟件方面，當前的機載LiDAR 系統(tǒng)的處理軟件也比較多，但相對于硬件系統(tǒng)而言是落后的。機載LiDAR 系統(tǒng)的軟件主要用于處理LiDAR 數(shù)據(jù)，并生產(chǎn)多類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。就此而言，LiDAR 系統(tǒng)的軟件發(fā)展主要體現(xiàn)在以下兩方面：

　　1)數(shù)據(jù)處理方面。

　　LiDAR 系統(tǒng)具有全天時的數(shù)據(jù)獲取能力，而且效率高、速度快。面對不同LiDAR 系統(tǒng)獲取的多時相、多氣候條件下的海量數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)的發(fā)展應該不斷提高其處理數(shù)據(jù)的速度，提高其處理不同類型數(shù)據(jù)的能力。

　　2)數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面。

　　LiDAR 的軟件系統(tǒng)不僅要能夠快速高效地處理多類型數(shù)據(jù)，還要根據(jù)實際的需求，生產(chǎn)出滿足應用需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當前的LiDAR 軟件系統(tǒng)能夠提供一些滿足實際需求的產(chǎn)品，但仍需要從理論和實踐中探究數(shù)據(jù)處理的算法，提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度。

　　機載LiDAR 技術(shù)目前已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，在諸多領域都得到了廣泛的應用。作為一種高效高精度的測繪探測技術(shù)，機載LiDAR 技術(shù)會朝著獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)多樣數(shù)據(jù)產(chǎn)品方向發(fā)展，這對LiDAR 的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都有一定的要求。

機載激光雷達的詳細技術(shù)參數(shù)

　　2.2 應用前景

　　1)機載激光雷達在測繪行業(yè)的應用前景。

　　機載LiDAR 硬件的發(fā)展，出現(xiàn)了平臺多樣化、型號多樣化的特點，能滿足大比例尺地圖測繪、工程測量、變形監(jiān)測等不同測繪行業(yè)的各種需求;而軟件方面，數(shù)據(jù)處理速度的提升、數(shù)據(jù)處理量的增加、數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型的豐富，將為測繪行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。

　　2)機載激光雷達在林業(yè)的應用前景。

　　隨著機載LiDAR 技術(shù)獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)能力提升，及其可直接獲得單株木的位置、樹高和冠幅這3 個垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點，使得樹種識別得到了一定程度的提高，而森林樹種的精細識別是森林碳儲量估算、森林生物多樣性等研究的基礎，因此，機載LiDAR 的發(fā)展對于我國林業(yè)的發(fā)展也有質(zhì)的提升[18]。

　　3)機載激光雷達在水利行業(yè)的應用前景。

　　機載LiDAR 數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富、自動化程度高、獲取數(shù)據(jù)精度高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢，在水利樞紐工程中得到了較好的應用，可減小外業(yè)調(diào)查的工作量，提高工作效率、降低生產(chǎn)成品;無人機機載LiDAR 系統(tǒng)更可在防汛抗旱、搶險救災、水土保持監(jiān)管、河道監(jiān)管、凍土監(jiān)測、山洪災害調(diào)查、水溫分析等水利行業(yè)的多個領域進行應用，具有較好的應用前景。

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