激光探测及测距系统(LIDAR)技术的应用讲解.pdf

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1、测绘信息网http:/ 激光探测及测距系统(LIDAR) 技术的应用 钱 灿 兴 (靖江市测绘院有限公司,江苏靖江214500) 摘 要文章介绍了激光探测及测距系统LIDARD 的基础知识及该技术在生产中的应用流程。通过与传统 航测技术的比较，说明LIDAR 技术在航测技术发展中的应用前景。 关键词激光探测及测距系统LIDAR （LIGHT DETECTION AND RANGING ）全球卫星定位系统GPS 惯 性测量系统IMU （Inertial Measuring Units ）测绘信息网http:/ 1引言 文中所提及LIDAR 技术是目前国内航空测绘业正处于理论研究和生产探索的一项技

2、 术。该技术已在美国得到广泛应用，已产生十分可观的经济效益。该技术不但使航测工程周 期大为缩短， 而且克服了传统航测技术中的几个难点，是一项值得研究和推广的技术。通过 与美国EARTHDA TE 公司的技术交流与合作，对该技术我们已有所体会。本文将对该项技 术做一些介绍，以便大家对LIDAR 有所认识。 2LIDAR 系统的组成及工作原理 LIDAR 是 LIGHT DETECTION AND RANGING的首字母组合， 即激光探测及测距系统， 它是采用单个激光脉冲量测从激光源到目标，再回到激光接收器的时间，同时结合飞机上传 感器定位、定向数据，精确量测出被测物体（目标）的三维坐标。 2.1

3、 LIDAR 数据采集系统的基本组成 机载 GPS，为飞机提供准确空间定位。 惯性导航系统，为激光束提供确切方向。 激光发射，接收装置。测绘信息网http:/ 反射镜，用于将发射的激光束反射到地面。 2.2 LIDAR 系统的工作原理 激光发射装置按设置好的时间间隔不断发射激光束，激光束打在反射镜上，通过反射镜 的左右摆动，将激光束反射到地面上。激光束碰到物体，将发生反射，此时机载接收装置将 记录返回信号，即记录一个相应的数据点。激光束在发生反射时，并非一次全部反射。当激 光束经多次反射，接收装置将记录多个相应数据点。飞机沿航线飞行，激光发射、接收装置 不断采集、记录地面数据点。完成整个区域的

4、数据采集。若设计测区过大，则可采用多次起 飞的方式获得整个测区的数据。 测绘信息网http:/ 2.3 LIDAR 系统采集的数据能提供的基础产品 数字高程模型； 正射影像的生成； 三维地物矢量识别和提取； 三维模型 2.4 LIDAR 技术产品的可应用领域 生成各种比例尺的地形图；测绘信息网http:/ 各类管线网络的建立和线路设计； 城市三维模型的建立； 河流的监控、治理； 地物的识别和提取； 城市管理； 水灾防治等等。 3LIDAR 技术的生产流程 图 1 生产流程图 3.1 流程图说明 LIDAR技术应用于生产，其过程分为三部分，为预处理、后期处理、质量检查。质量 检查须两次，分别在预

5、处理、后期处理结束后进行。 测绘信息网http:/ 3.1.1预处理 将 LIDAR 的原始数据进行系统误差改正，坐标系统转换，按要求对数据进行块裁切的 过程，过程说明如下：测绘信息网http:/ 检查测区覆盖情况。 保证所有航线完全覆盖整个测区，无漏洞，所有数据分布均匀， 合理。 确定系统误差改正参数。是用飞机场区域，沿跑道的往返飞行及垂直跑道的飞行所 采集的数据来确定的。用沿跑道往返飞行的数据进行Roll 误差和Pitch 误差改正参数的确 定，用垂直跑道飞行的数据确定Variable Scan Angle 误差的改正参数。参数确定后，对所有 航线进行角度系统误差改正。 利用地面控制点将数

6、据点高程纳入要求的高程系统中。即，进行高程误差的改正。 不同航线间亦要进行高程系的匹配。 将数据转换到客户要求的坐标系统中。不同的客户可能有不同的要求。这一步并非 必须。 做完以上处理后，将数据进行航线拼接并裁切分块，按要求提取数据，分别生成数 字地面模型或反射表面产品，为后续处理准备数据。 以上为预处理的一般步骤。至关重要的是系统误差改正参数的确定，其决定了整个产品 的质量和可信性。 3.1.2数据的后续处理测绘信息网http:/ 其主要工作是对预处理过的数据，依据数据的高程信息，区别定性分类， 生成最终产品。 这里的分类实际上是，按某一点数据的高程信息区分该点是否是地表点，若不是则归为不同

7、 的类别内，例如：水系，建筑等。具体过程为： 初始分类。利用宏命令，自动分类。 对初步分类后的数据，进行人工处理， 使数据分类进一步细化，使数据表达更加准 确。这时还可依据相应区域的正射影像来分析判断。处理的主要对象为自动处理无法识别的 数据点。 3.1.3数据检查 预处理的质量控制。需要进行预处理过程中按要求保留的说明文件及图形的检查， 检查误差改正是否达到要求，检查处理过程是否正确等工作。 后期处理的质量控制主要是检查处理好的数据是否真实合理，是否按要求进行了分 类。 3.1.4LIDAR数据处理实现的可能 LIDAR数据点的采集和记录，实时表述了地面。据数据点生成的不规则三角网，能很 好

8、的模拟地表变化，地物的特征能很好的体现，如果配合等高线，实时影象等其他方法，即 能准确的判断地物做出类别区分。 测绘信息网http:/ 4LIDAR 技术与常规摄影测量特点的比较说明 4.1 两项技术特点的比较 LIDAR 技术的特点： 主动获取地面数据。 数据点分布均匀，精度一致，不受阴影的影响。 直接获取地面三维数据。 短时间内覆盖大面积区域。测绘信息网http:/ 数据量大。 常规摄影测量技术的相应特点： 被动获取地面数据。 数据点分布难以控制，极受阴影的影响。 通过数据采集获取地面三维数据。 大面积数据很难在短时间内获取。 数据量不能确定。 4.2 LIDAR 技术的比较说明 LIDA

9、R通过记录激光信号从发射到返回的时间，获得地表被动物体的三维坐标。 它的激光束， 是由机载仪器主动发射的，其发射的频率可以控制。这种方式获得的数据点分 布均匀， 精度一致。 传统航测技术是借助太阳光的反射光对地面进行识别，它的三维数据的 获取，还要经历数据采集的过程，其数据获取周期远远大于LIDAR技术数据获取周期。另 外，借助太阳反射光，将无法避免阴影造成的数据短缺，LIDAR 则不存在这方面的问题。 LIDAR 借助反射镜的左右摆动将激光脉冲信号反射到地面。然后收集其返回信号， 沿地面收集点状数据。反射镜的摆动角度是可变的，因此LIDAR 扫描地面的航带宽度可以 调节，使其精确与航摄宽度相

10、匹配。传统航测中的常规航摄仪只能覆盖航摄航线的20% 30%。另外 LIDAR系统可以高空操作，根据不同的地表情况，使其平面精度可达到1 米， 高 程 精 度 可 达15-60厘 米 ， 收 集 的 数 据 点 间 距 达 到2-12厘 米 。 测 绘 信 息 网 http:/ LIDAR 可以收集激光脉冲的多次返回信号，而一次返回即是一个点状数据信息，这 样一来，它所采集的数据将成倍于常规摄影测量。并且它所提供的是精确的地面信息。LIDAR 系统高程数据精确度不受航飞高度的限制，而传统航测中， 无论如何， 其高程数据精度都是 受制于航飞高度的。 通过以上比较发现：测绘信息网http:/ LI

11、DAR系统的数据采集已克服了常规航摄过程中太阳角、航高、光线等许多自然 因素的影响，避免了所造成的信息不确定性。也因此LIDAR 系统可以在夜间和阴天进行数 据采集。 LIDAR数据完全可以同常规航摄数据一样来使用，它的精度及准确度甚至优于后 测绘信息网http:/ 者。 LIDAR数据是三维点状数据，属于地理信息，能够很容易与其它类型要素或影像 数 据合并。 LIDAR数据最大特征在于数据的分类提取非常容易，并且可用计算机自动识别和 提取。 5LIDAR 技术的应用前景 动态 GPS 与惯性测量系统IMU 及激光探测及测距系统LIDAR的配合使用，可以实现 全天候直接获取高精度数字地面模型；

12、可以实现密林、 山区等环境恶劣，难以通行的地域的 测量；可以为公路、铁路、水利、环保等部门的设计提供高效的服务；LIDAR系统获得的 高精度数字地面模型与地理信息系统、网络等技术配合使用，可以为规划、旅游、电力、电 信等相关部门提供服务。测绘信息网http:/ 综上所述， LIDAR 系统的应用，使实时摄影测量的实现成为可能。而LIDAR 数据在生 产中的应用，必将极大提高工作效率，降低生产成本，缩短生产周期，及时进行信息更新， 更高效地服务于国民经济建设。促进测绘事业的发展。它的推广与应用将使测绘事业发展到 一个新高度。 6结束语 测绘信息网 http:/ LIDAR技术基本实现从数据采集到应用的全数字化过程，它在生产中的推广和应用， 使我们深刻体会到这一新技术给航空摄影测量带来的变化。这一技术在国内的普及将极大推 动测绘行业向前发展。当然 LIDAR 技术也有其不尽人意之处。LIDAR 数据在密林及密集建 筑区，不能得到满意的地表信息数据。这种地区的数字地面模型，仍只能采用普通方法获取。 当然，随着其他新技术的发展，诸如数码相机分辨率的提高、惯性测量系统稳定性的改善， 再配合以LIDAR系统的进一步发展，相信目前LIDAR 系统所面临的问题将逐一解决。