机载激光雷达的应用现状及发展趋势

机载激光雷达的应用现状及发展趋势
摘要：机载激光雷达是一种应用越来越广泛的对地观测系统，本文简要介绍了机载LIDAR系统及其测量原理，并重点综述了机载LIDAR的应用现状最后对其发展趋势进行了展望。
关键字：激光；激光器；激光技术；激光雷达
一、机载LIDAR的技术原理
机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术，是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物，是遥感测量领域的一门新兴技术。
自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，机载激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，已经被越来越多的学者所关注。迄今为止，机载激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，虽然机载激光雷达无法完全取代传统的航空摄影测量作业方式，但可以预见，在未来的航空遥感领域，机载激光雷达将成为主流之一。进入90年代，机载激光雷达系统进入实用化阶段，并成为雷达遥感发展的重要方向之一。机载LIDAR系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实习对目标的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。其应用已超出传统测量，遥感，以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。
与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离测量可大大提高了数据采集的可靠性抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，只要不存在方向反射，总会有一部分光会反射回去，成为回波信号，被系统的接收器所接收，当仪器计算出光由激光器射出返回到接收器的时间为2t后，那么，激光器到反射物体的距离d=光速c×t\2 。
　在机载激光雷达系统中，利用惯性导航系统获得飞行过程中的3个方位角（ψωκ），通过全球定位系统（GPS）获取激光扫描仪中心坐标（x y z），最后利用激光扫描仪获取到激光扫描仪中心至地面点的距离D，由此可以计算出此刻地面上相应激光点（X Y Z）的空间坐标。
假设三维空间中一点的坐标已知，求出改点到地面上某一待定点P（XYZ）的向量，则P点的坐标就可以由加得到。其中点为遥感器的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量的模是由激光测距系统测定的机载激光测距仪的投影中心到地面激光脚点间的距离，姿态参数可以利用高精度姿态测量装置（INS）进行测量获得的。
利用机载LIDAR系统进行测高作业，根据不同的航高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15至1米，高程精度可达10cm至30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合航射影像和空中数据定位二设计的新技术手段，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。
二、机载LIDAR的应用现状
机载LIDAR 一高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，已成为世界各国进行大面积数值地表数据测制的重要主流与趋势，其多重反射的特性，可同时获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标，而透水激光雷达系统更可穿透水体而量测水底的地形起伏。其获取的高精度高分辨率DEM，可作为土地利用、工程建设规划、都市计划管理，河海地形、潮间带、集水区、山坡检测，地理信息系统、防灾、矿业、农业、林业、公共管理线等方面数值化、自动化等应用基础。
1.数字城市应用
在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发展的必然，也是“数字地球”的要求。因此，对快速获取三维空间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。LIDAR系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。
2.工程建筑测量
机载激光雷达测量能够为道路工程及其他建筑项目提供准确的高程数据。机载激光雷达生成的DEM结合GIS及CAD软件，可以是设计人员模拟各种方案以选择出最佳路线或最好位置。对于施工钱的原始预测，DEM结合正射影像可以为工程设计人员提供他们所需的大量地形和测量信息。
3.电力设计勘测选线和线路监测应用。
在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。
4.灾害监测与环境监测
利用机载LIDAR产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范围，制定灾难减轻方案以及补救措施。典型的一套机载激光雷达系统可以在四小时内用一架固定翼飞机完成长30km区域的勘测。其垂直精度和达15cm，平均点距为1.5m，合计记录了153000000个反映详细地形和地物的数据点。也广泛应用于自然灾害（如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。
5.海岸工程
传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。机载LIDAR是一种主动传感技术，能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。
6.林业应用
机载激光雷达系统的最早商业应用领域之一即为森林工业，森林业者和国土管理者需要森林及树冠下面的准确数据。在传统技术下，树高与树的密度很难获取的信息。在数据的后处理中，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，根据LIDAR数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积。通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏观调控。
7.文化遗产保护
大型的文物古迹和室外的不可以移动文物，需要测量其三维数据，以便进行修复和保护。对于出于恶劣测量环境下或不可直接触摸的文物，LIDAR技术就成为了一种直接获取三维数据的很好的解决方案。
8.油气勘探
石油及天然气工业的勘测程序常常需要在短时间内快速传送与地形数据XYZ为准相关的数据。虽然有多种方法处理收集位置数据，但机载激光雷达测量是一种高速且不接触地面的数据获取方法，大多数情况下，从勘探开始到最终数据发送只需要几周的时间。在一些复杂的环境地区勘测，砍伐树木的费用要几千美元一公顷。如用机载激光雷达进行勘测，最多只需要砍伐几行树，这样可以节省大量的经费且减少对环境的影响。
三维激光雷达技术是实现空间三维坐标和影像数据同步、快速、高精度获取的国际领先看空间技术，在采集地表数据方面具有传统航空摄影测量所无法比拟的巨大优势，三维激光雷达技术是即GPS以来测绘领域的又一场技术革新，是高精度逆向三维建模及重构技术的革命，是进行大区域空间探测的利器，是数字中国及各行业数字化的必由之路，将对电网、水利、交通、规划、国土、矿山、海洋、气象、农业、林业、古迹保护等各个领域产生深远影响。
二、机载LIDAR的发展趋势
近几年，随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术得到了蓬勃发展，欧美等发达国家许多公司和科研机构投入了的大量的人力物力和财力进行相关技术和系统的研究，并先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。记载激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大，其应用的领域和深度也日益拓宽和加深。我国的学者也投入道路激光雷达技术的研究中，也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。但总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和实践应用方面都落后与发达国家，为使这项高新技术能够在我国的国民经济建设中发挥其应有的作用，开展记载激光雷达技术的理论和应用研究具有非常重要的理论价值和现实意义。虽然目前已有多种激光雷达系统在使用，但激光雷达仍是一项处在不断发展中的高新技术，许多新体制激光雷达仍在研制或探索之中。在今后的一段时期内，激光雷达的研究工作将主要集中在不断开发新的激光辐射源、多传感器系统集成和不断探索新的工作体制和用途方面。

开发新型激光辐射源
目前，在中远距离应用中，波长为1.06μm的Nd：YAG激光器和波长为10.6μm的CO2激光器仍是激光雷达的主导辐射源。近年来随着大功率半导体激光二极管技术的不断完善，在近距离应用条件下半导体激光器的应用也日益广泛。在未来若干年内，二极管泵浦的固体激光器技术和光参量振荡器技术将是新型激光源的关键技术。
利用光学参量振荡器可获得宽带可调谐、高相干的辐射光源，在激光测距、光电对抗光学信号处理等领域以显示出广泛的应用前景。光学参量振荡器的理论最早在1962年由Kroll提出，1965年美国贝尔实验室首先在脉冲激光器上实现光学参量震荡，国际上在70年代建立了完善的参量互作用理论，并在80年代后，随着一些性能优良的非线性晶体的出现，使得OPO技术的研究取得重大突破，OPO技术进入了实用阶段。近年来，随着二极管泵浦的固体激光技术的发展，全固化宽调谐OPO技术得以迅速发展，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作等特点。美国直升机防撞激光成像雷达和预警机载“门警”系统激光雷达，英国的查分吸收光雷达都是采用OPO做辐射源。可预计，未来将会有更多的OPO激光雷达问世。
2… 多传感器集成和数据融合
激光雷达的另一个发展方向是成像应用。激光雷达成像具有优越的三维成像能力，其数据处理算法相对简单，不需要多批次图像融合即可得到侦查区域多层次的三维图，与其他成像侦查手段相比，在实效性方面具有不可比拟的优势。与光学和微波成像相比，激光雷达成像在获得侦查区域目标的同时能快速获得目标高程数据，提高对战场的探测能力。激光雷达成像所获得的是目标距离和强度数据，激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视数据图像等其他数据图像的融合在目标物特征提取、识别等方面具有重要的作用。激光雷达数据图像包含目标的位置、体积、形状等三维立体信息，充分反映目标的几何信息。但激光雷达数据由于激光谱线成像，光谱信息单一，不能充分反映目标物的物理属性信息。而可见光数据图像、红外电视数据图像包含丰富的目标光谱信息，但目标的几何信息只有二维的平面位置信息。将激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视图像相融合，实现多传感器集成，可发挥出各自的优势。
不断探索激光雷达新体制
多年来，对激光雷达新体制的探索工作一直在进行，尤其最近几年研究工作比较活跃，包括激光相控阵雷达、激光合成孔径雷达、非扫描成像激光雷达等。相控阵激光雷达是通过对一组激光束的相位分别进行控制和波束合成，实现波束功率增强和电扫描的一种体制。美国自70年代初开始研究激光相控阵技术，实现一维光相控阵以来，先后研制出多种二维移相器阵列并制成以液晶为基础的二维光学相控阵样机。
合成孔径雷达是利用与目标做相对运动和小孔径天线并采用信号处理方法，获得高方位分辨力的相干成像雷达。利用激光器做辐射源的激光合成孔径雷达，由于频率远高于微波，对于同样相对运动速度的目标可产生大得多的多普勒频移，因此，很像距离分辨率也高得多，而且利用单个脉冲可瞬时测得多普勒频移，无需高重频发射脉冲。正因为如此，基于距离\多普勒成像的激光合成孔径雷达的研究工作受到重视。美国自80年代开始开展了激光合成孔径雷达的概念研究，并进行了原理实验。实验研究采用重复频率为100Hz的TEA CO2相干脉冲激光器，脉宽为150ns，峰值功率为100kw，以单纵横工作，而且频率可调。尽管迄今尚未见到成功的报道，但仍不失为激光雷达的一个发展方向。自90年代初以来，美国Sandia国家实验室一直致力于发展一种新体制激光成像激光雷达不需要机械扫描，而是利用高频强度调制的激光器照射目标，用带向增强器的CCD摄像机接收回波，经过数字信号处理依次提取每个光点的距离信息，形成目标的强度\距离三维图像。其特点是简单、可行、体积小、重量轻、可得到高分辨率图像。因而防撞、自主导航、目标识别、自动检验、视景、警戒、监视和地形测绘等军事和民用方面具有广阔的应用前景。

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