简述LIDAR技术的应用与发展

周涛

【摘要】LiDAR——LightDetectionAndRanging，即激光探测与测量LiDAR信息采集系统着重于整合各种技术，如GPS、激光测距、INS和计算机。整个系统采集的数据，用于生产数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）等产品的生产。随着机载LiDAR点云的发展，高精度、高利用率地从LiDAR点云数据中地采集建筑物边缘轮廓信息，具有重要意义。

关键字：LIDAR；优势；发展；应用

一、LIDAR技术的简介

LiDAR技术能够获取到高分辨率的地球空间信息，它是一项数据的生产周期短、受天气影响小、能全天候测量、自动化程度高的创新型测量手段。激光雷达系统主要由激光扫描仪、GPS定位系统、惯性测量单元IMU以及数码相机组成。[1]

激光扫描测距系统原理是假设光波在某一段距离上往返传播时间为t,待测定距离可表示为D=1/2ct，式中，c为光波在真空中的传播速度约为300000km/s。只要能精确地求出时间t就可以求出距离D。激光扫描仪是一种主动式的测量系统，它是基于漫反射回来的激光脉冲回波信号，获取被测对象高精度的距离、反射率、回波次数等信息；被测区域的数字彩色纹理信息主要由基于被动光电成像技术的数码相机获取。GPS定位系统实时提供激光雷达的三维空间位置坐标，惯性测距单元IMU实时测量机载激光雷达的姿态，用于确定激光脉冲的指向LiDAR根据载体的不同可以分为机载激光雷达，车载激光雷达与地面激光雷达，利用激光照在物体上锁返回的信号进行三维坐标测量[2]，并应用GPS、惯导装置来测定飞行状态，空间位置以及时间来生成LiDAR数据。在经过TerraSolid、LIDAR360等软件的处理后，就可以生成高精度的DLG、DOM等，除了应用到航空摄影测量数字高程模型和正射影像快速生产中外，还可以广泛应用到道路设计与扩建，农业监控等领域。

二、LIDAR技术的优势

（1）LIDAR的激光脉冲信号可以部分穿透植被，多次回波，获得更多的地形植被信息，对于我们获得真实的地表模型具有重要的意义。

（2）LIDAR是一种主动式的直接测量技术，它不受到日照和天气条件的限制，可以全天候的进行测量，大大提高的我们的测量效率。

（3）LIDAR对地观测的速度快，无地面控制作业，减少了外业工作。

（4）LIDAR直接获得地物的三维坐标，绝对精度高，平面精度可达0.3米，高程精度可达0.1米。

（5）LIDAR获得信息齐全，可用于多种领域，应用于多种搭载平台应用领域广泛。

这些特点使激光雷达测量技术在地形测绘、灾害监测、资源勘查、森林调查等方面的应用具有独特的优势。

三、LIDAR技术的应用

LIDAR技术作为当今最为突出的科技化测绘方式之一，是为综合了航摄影像和空中数据定位而设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。对于测绘事业的发展有着重要的意义。在目前的应用当中，其主要应用在以下几方面：

LIDAR在精密工程中的应用

精密工程测量是指以毫米级或更高精度来进行的工程测量。精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。在精密工程测量中所使用的仪器很多样比如多传感器集成测绘系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度GPS接收机、电子全站仪、水准仪等。在现目前的测绘工程项目中，它设计到多方面的内容，包含了多种不同的工作流程，如矿山和隧道测量、建筑监测、电力选线、变形控制等。地面LIDAR和机载LIDAR就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。

LIDAR在林业测量中的应用

在林业测量中，LIDAR测量生成高密度的三维激光点云数据,能够更好地分析森林中树木的覆盖率以及覆盖面积、了解到树木的疏密程度、年长年幼树木的覆盖面积、以便于人们能在茂盛的森林中合理适当的砍伐树木、在林木稀疏或无植被的区域进行树木种植。同时LIDAR数据还可以直接的判读单木的资料,包括其位置、高度、树冠大小，以提高判断树种的准确性。对于单木重建具有重要的意义[3]。另外,通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度,以及木材量的多少,便于相关部门进行决策。

LIDAR在交通测量中的应用

LIDAR系统是一种新型的地理数据采集系统,该系统利用装载在飞机上的激光扫描仪和彩色数码相机对地面目标对象进行航空测量，LIDAR技术能快速高效的生成4D产品，DEM、DOM的生产在交通测量中具有重要的意义。近年来在高速公路勘测设计、复杂场景的车辆识别、道路的变形监测中都得到了越来越多的应用。

LIDAR技术在电力工程中的应用

在电力工程中采用LIDAR技术可直接获取线路的大量高精度激光点云数据,同时亦可获取高分辨率航空数码影像。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。通过激光点云建立三维可视化巡线管理平台，铁塔、绝缘子串、电缆的类型均与实际相符合，根据这些已知的电力资产信息建立资产管理数据库，增加三维模型的拓扑关系和详细资产信息，实现电力资产的三维可视化管理[4]。采用空间分析的方法测量电缆与周边地物的间距，从而达到排除危险点的目的。

结论与展望

LIDAR技术具有很大的潜力，是一种新型的测量技术，能获得高精度的点云数据，单一的LIDAR激素进行地物提取是远远不够的，我们要思考如果能融合影像数据、多光谱数据，地面已知的GIS数据等。以后机载LIDAR可以搭载各种不同的传感器,各种数据互为补充,以提高数据的可靠性和精度。其中，LIDAR技术与摄影测量的结合将带来新一轮的技术革命。“三维城市”,“智慧城市”的提出也注定了LIDAR技术的快速发展是我们现目前的主要需求。它是一种年轻的技术,还有许多发展空间。随着用户数量的增加,其应用领域将越来越广,特别是随着激光技术的进一步发展,将促进LIDAR技术的革新。放眼未来，LiDAR技术会不断开拓新的应用领域，会渗透到国民经济，国名生活的各个方面。

参考文献：

[1]靳克强,龚志辉,汤志强,张斌,王庆伍.机载LIDAR技术原理及其几点应用分析[J].测绘与空间地理信息,2011,34(1):145-150

[3]张玉方,程新文,欧阳平,王冬梅,熊娜.机载LIDAR数据处理及其应用综述[J].工程地球物理学报,2008,5(1):121-124

[2]刘达,殷建良,熊康军.LIDAR在林业测量中的应用与研究[J].测绘与空间地理信息,2008,31(1):116-119

[4]林昀,吴敦,李丹农.基于机载激光雷达的高精度电力巡线测量[J].城市勘测,2011,(5):72-74

作者简介：周涛（1992.04-），女，四川德阳人，硕士研究生在读，研究方向：摄影测量与遥感。