浅议激光雷达lidar发展和应用

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1、浅议激光雷达LiDAR发展和应用　　摘要：激光雷达LiDAR作为一门新兴的测量技术现已逐步得到广泛的应用。本文主要介绍了激光雷达的起源和发展,叙述了激光雷达的基本原理，以及当前的应用和发展趋势。讨论了激光雷达在技术上的潜力,以及激光雷达的应用前景。关键词：激光雷达；LiDAR；数据采集；高精度；数据中图分类号：O532+.25文献标识码：A前言激光雷达是“光探测和测距“LiDAR(LightDetectionandRanging)的简称，最初称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光。自激光发射器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光发射器作光源

2、，名称也就统称为激光雷达。激光雷达技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精确地获取,再现客观事物的实时的、真实的形态特性,为快速获取空间信息提供了简单有效手段。7LiDAR系统根据载体的不同，分为星载、机载和地面三种模式。其中，星载和机载LiDAR多用于中、小比例尺地形测量，如1:50000、1:100000等地形图绘制等；而地面LiDAR适合更精细、更高精度的复杂地物量测，如古建筑的三维建模、复杂场馆测量、大比例尺DEM和地形图的获取等。LiDAR的数据获取特性，使其在“数字城市”建设、城市规划、工程测量、古建修复等多个领域有了应用机会；同时，也为复杂、困难地区，如森林、沙漠、戈壁、雪山等，

3、采用传统测量方法获取高精度的DEM和地形测量数据提供了高效、高精度的全新测量手段。一、LiDAR的技术的起源与发展（一）起源自Daguerre和Niepce在1839年拍摄第一张像片以来，由像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。至荷兰人Fourcade在1901年发明了摄影测量的立体观测技术，使得由二维像片获取地面三维数据(X、Y、Z)变为可能。一百多年以来，立体摄影测量仍是获取地面三维数据最可靠和最精确的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的主要技术。（二）发展7随着计算机及高新技术的出现，数字立体摄影测量技术也得到了逐步发展和成熟，相应的数据处理软件和数字立体摄影测量工作站已经在许多生

4、产部门得到普及。但基本上，摄影测量的工作流程却没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本上没有太大的变化。这种生产模式的周期太长，已经不适应当前信息社会的需要，也不能够满足“数字地球”对测绘的要求。LiDAR测绘技术起源于1970年美国航天局（NASA）的技术研发。因全球定位系统（GPS）及惯性导航系统（INS）技术的发展，使得精确的即时定位及姿态确定成为了可能。1988到1993年期间，德国Stuttgart大学将激光扫描技术与即时定位定姿系统相结合，形成了空载激光扫描仪（Ackermann-19）。此后，空载激光

5、扫瞄仪的发展十分迅速，目前已有10多家生产空载激光扫瞄仪的厂商，超过30种型号（Baltsavias-1999）可供选择。最初，研发空载激光扫瞄仪的目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其精确的观测成果及高度自动化，空载激光扫瞄仪成为了主要的DEM生产工具。二、LiDAR的基本原理LiDAR系统是一种集全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)和激光三种技术与一身的系统，可用于数据的获取并生成精确的DEM。这三种技术的集合，可高度、准确、快速地定位激光束打在物体上的光斑的位置。激光本身具有非常准确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而Li

6、DAR系统的精确度取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)各自系统和三者同步等内在因素。随着GPS和IMU技术的快速发展，通过LiDAR从移动平台上获得高精度的数据已经获得成功并被广泛应用。7LiDAR系统由一个单束窄带激光发射器和一个接收系统构成。激光发射器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器能够准确地测量光脉冲从发射到被反射回来的传播时间。由于光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。根据光速是已知的，传播时间可以被转换为对距离的测量。结合从GPS得到的激光发射器的三维信息（X、Y、Z）和从INS得到的激光发射方向，我

7、们可以准确地计算出每一个地面光斑点的坐标（x、y、z）。因为激光束发射的频率可以每秒从几个脉冲到几万个脉冲，所以LiDAR系统可以在短时间内获取大量的监测点信息。比如，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点，这是对传统测量方法获取测量点数不可比拟的优势。机载LiDAR系统沿航线采集地面点三维数据之后，经过数据处理软件和工作站的解算，可生成LiDAR数据影像和地面高程模型