Topographic Laser Ranging and Scanning_Principles and Processing—

1.1 介绍

激光扫描制图系统近年来得到了快速的发展，毫无疑问该技术在地理空间数据的获取方面具有极大的意义。

激光雷达系统可以安装在机载或者是陆基平台上，并且能够以极高的效率采集数量巨大的精度极高的数据。此外，其数据的基本处理过程也是相对的简单，这样就能够满足许多对数据快速获取的应用的需求。虽然激光测距技术从1960年代就已经出现，但是由于缺乏多学科的技术支持，使得该技术在制图领域的爆发性发展推迟了很多年，直接地理参考技术在90年代中期被引入民用，与此同时计算机技术的快速发展也是激光扫描系统在地图绘图方面的应用提供了基础。本章介绍了一个激光雷达简短的发展路线以及一些基础信息。

当前激光雷达在地图制图方面的广泛应用起始于90年代中期，在此之前经历了一个漫长的技术探索期，这就不得不提及到NASA在该技术发展过程中起到的前锋领路人的作用，早在1960年代时期，NASA就开展了相关领域的研究。然而在此之前激光的应用已经在多个领域推广，其中也包括测量领域，尤其是工程测量方面的应用。多种类型的激光技术包括固态激光技术（1960年）、气体激光技术（1961年）以及半导体激光技术（1962年），在最初阶段得到了快速的推广应用，起推动者是专业的地学测绘人员及相关工程人员。多种类型的基于激光测距的测绘装备被发明出来，并得到了快速的推广和应用。这些早期的应用包括有管道方面的对准作业（alignment operations）以及桥梁和隧道的变形监测等方面（deformation measurement）。另一个早期的应用是在自动或者是手动调平方面的应用，同样是属于工程测量方面的应用。

1.2 地面应用 Terrestrial Application

当前主要的激光应用包括有激光测距、轮廓线测量以及激光扫描，在1960年代的中后期，激光被测绘人员应用与测距应用，这些设备的工作原理都是基于相位法或者是脉冲法。使用脉冲法测距的强大的固态激光测距设备还被用来军事上的弹道和追踪等方面。在地面测绘方面，从1970年代以来，激光开始取代在早期的EDM(电子距离测量)仪器中使用的钨或汞蒸气灯。最初此类EDM设备主要是用来作为独立的测距工具来辅助控制测量或者是测绘三角网的建立。角度的测量是通过独立的经纬仪（theodolite）实现的。后来这两种设备融合在一起，具备了测距和测角的功能，就是现在所熟悉的全站仪（total station因为同时具备了测距和测角的功能，所以叫做total station）。其测角功能是通过高精度的光电编码器（opo-electronic encoders）。测绘工作人员通过全站仪配合反射棱镜可以快速构建地形图或者是底面模型。随着技术的发展，出现了无棱镜的激光测距设备。这就为手动获取地形轮廓线创造了可能，最初的应用是在采石场、露天矿场和隧道灯工程当中（Petrie，1990）。综合以上所介绍的激光在不同领域的测绘应用，激光扫描机制的引入就成了一个自然而然的发展逻辑，这使目前正在广泛应用的地面激光扫描仪的发展达到了顶峰，这种扫描仪现在被广泛用于地形测绘应用，无论是在安装在三脚架上的站点扫描形式，还是在安装在车辆平台上的移动扫描模式中。

1.3 机载和天基应用 Airborne & Spaceborne Applications

早在1965年，机载平台打在的激光测高仪就能够用于测量连续的地形轮廓线了，早期文献记载的包括气体激光技术（Miller，1965）和基于半导体激光技术（Shepherd，1965）的应用。和底面激光测距设备一样，在最初相位式和脉冲式两种方式都有应用。1970-1980年代是机载激光雷达技术稳定发展的一段时期。当时的技术局限是每条航线只能获取单条的地形轮廓线，如此一来，如果要获取大面积的地形数据，就需要规划大量的航线，所以在那个年代的应用当中，这项技术主要用于单条轮廓线的获取或者是狭窄地域的地形数据的采集工作，例如，当进行物探工作的时候该技术可以和其他设备结合运用，比如重力仪、磁力计等设备，这些设备都是用来获取线状的离散数据。在1990年代，随着成熟的扫描机制的出现，机载激光雷达扫描技术得到了快速的发展并且应用领域也极大的拓展，在GPS及IMU基础民营化之前，不像传统的摄影测量技术，机载激光扫描系统不具备只依靠自身来构建飞行轨迹的能力，这就导致了无法确定底面激光测距点的真实坐标。但是，随着1990年代中前期的GPS组网完成，以及在1990年代中期的中/高端性能的IMU的商业化，集成的GPS/IMU组合参考系统能够为飞行平台提供高精度的位置和高度数据，为机载激光雷达技术的应用推广奠定了基础，使得定位精度达到了4-7cm，测角精度达到了20-60弧度秒。

在天基平台方面，考虑到地球轨道卫星的在轨距离是机载平台的100倍，天基平台使用的是性能更加强大的激光测距系统，如此，使用TOF机制的激光测距系统的频率不能太高，除非是具备了多回波技术。与此同时天基平台的运行速度也是很快的，能够达到29000km每小时，也将近激光雷达机载平台的100倍。这些都成为了限制天基平台获取地形数据的因素。

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