摘 要：机载LIDAR（Light Detection and Ranging）是一种无需任何或仅需少量的地面控制点的安装在飞机上的激光探测和测距系统，用于获得高精度、高密度的三维坐标数据，并构建目标物的三维立体模型。LIDAR具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短等特点，可为获取高分辨率地球空间信息提供一种全新的技术手段。本文简单介绍机载LIDAR的起源、系统组成、特点、发展现状和趋势，并对现在存在的问题进行简单的论述，总结其应用领域，并对未来进行展望。
关键词：LIDAR；激光雷达
1 LIDAR技术简介
LIDAR技术是近二十年来摄影测量与遥感领域具有革命性的成就之一。随着空间数据应用领域的不断扩大，对获取准确可靠空间数据的要求也越来越高。传统的摄影测量因为生产周期长、费用高、高程点获取的密度低，已经不能够完全满足当前信息社会的需要。LIDAR作为一种能够快速精确地获取地面三维数据的技术随之孕育而生。
LIDAR系统根据载体的不同，分为机载LIDAR和地面LIDAR两种模式。其中机载LIDAR多用于大比例尺地形测量，如地形图绘制等；而地面LIDAR适合更精细、更高精度的复杂地物量测，如古建筑三维模型重建、复杂场馆量测等。
LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术于一身的系统。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束搭载物体上的光斑。它能快速获取地表点三维数据，相比航拍数据和二维矢量数据，有着更高的高程精度，在获取高精度DEM尤其是大比例尺的高精度DEM方面有着很大的优势。
2 LIDAR系统概述
LIDAR是英文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，精确量测出被动物体（目标）的三维坐标。
2.1 系统组成
机载LIDAR系统主要包括：激光测距仪，用于测量传感器到地面点的距离；高精度观星测量系统（IMU），用于测量扫描装置主光轴的空间姿态参数；基于差分技术的全球定位系统（GPS），用于确定扫描中心的空间位置；高分辨率数码相机，用于获取对应地面的彩色数码影像，最终制作正射影像。
2.2 LIDAR的测量原理
LIDAR系统中的激光测距仪包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光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。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回来的传播时间。因为光脉冲以光速传播，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。由于光速是已知的，传播时间就可以被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描的角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出当前的光束所对应的地面光斑的（X，Y，Z）。一般激光束发射的频率可以达到每秒几万个脉冲。很多LIDAR系统还能记录同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z坐标的点记录，并分层表示。利用这个特点，我们可以通过分类和滤波处理，获取地面高程以及树高及建筑物的高度等信息。
2.3 测量精度分析
激光具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米。而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素外，还取决于激光、GPS及惯性测量单元（IMU）三者同步等内在因素。大多数内在因素是已知的并可预测的。外在因素包括：飞行计划、飞行条件、大气环境的影响、地形起伏以及植被的覆盖等等。因为由GPS、IMU及激光器产生的误差是可测知的，所以可以认为LIDAR所获得的点集（X，Y，Z）是一个描述地形和植被覆盖情况的函数。在理想的点阵密度下，反射点的精度就是DEM精度。利用机载LIDAR系统进行测高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15至1m，高程精度可达到10cm至30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。
3 LIDAR系统的数据处理过程
LIDAR技术应用在生产中，其数据处理过程分为三部分，分别是预处理、后期处理、质量检查。质量检查需两次，分别在预处理、后期处理结束后进行。
3.1 LIDAR数据的预处理
LIDAR数据的预处理过程主要可以分为POS数据解算和生成三维点云两个部分。POS数据解算就是提取出LIDAR系统的GPS数据和IMU数据和其他的辅助数据，通过对GPS数据进行差分拟合，得到激光发射瞬间激光发射器的精确GPS坐标；通过GPS定位数据、IMU数据和其他辅助数据进行联合解算，得到精确的六个外方位元素。利用POS解算数据和大气校正、距离校正、扫描仪校正等参数，可以解算出每一个激光对应的地面光斑的三维坐标，生成后续处理需要的三维点云文件。
3.2 LIDAR数据的后期处理
LIDAR数据的后期处理是对与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照某一点的数据高程信息区分该点是否是地表点。一般根据绝对高程或设定阈值来去除明显的异常点，也可以根据其他的滤波算法进行噪声点滤除。根据多重回波性质进行植被分类，然后提取出地面点、建筑物上的点等，再从地面点中抽取一定密度的点来建立地表面高程模型。
3.3 数据检查
预处理的质量控制就是将预处理过程中生成的点云文件和说明文件进行检查，检查处理过程是否正确，精度是否达到要求。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，是否按要求进行了准确的分类。
4 LIDAR系统的发展现状
4.1 LIDAR系统的特点
机载激光雷达系统与机载GPS、惯性导航系统INS以及CCD相机结合，能够进行精确的空间定位。由于采用激光测距方式，与常规的航空摄影测量相比，其数据获取条件具有独特优势。
同传统的摄影测量相比，激光点云的地标测量采集间距在0.8-1.2m之间，甚至更小，数据密度极大，非常有利于真实地面高程模型的获取。由于激光具有多次回波特性，任一束激光穿越植被空隙时，可以返回叶面、枝桠、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，更接近地面真实高程。激光雷达采用主动测量方式，不依赖自然光，在因太阳高度角、植被、山岭等影响传统航测方式无能为力的阴影地区，其获取数据的精度完全不受影响。由于采用激光回波探测原理，LIDAR数据的高程精度和比例尺与测量时的航高无关。采集的每个地面点都带有真实三维坐标，需要布设的野外地面控制点相比于传统的航测有很大的减少，这就减少了生产作业量，使航测制图更加快捷。
4.2 LIDAR系统的应用
随着计算技术以及GPS技术的进一步发展和应用，LIDAR技术经过近20年的发展，其技术已经完全成熟。在使用摄影测量方法获取地形模型有困难的森林和沙漠地区，LIDAR技术提供了一种直接获取地形表面模型的有效手段。通过与影像以及信息的融合，LIDAR系统不仅仅局限于获取数字高程模型数据等传统的应用领域，而且广泛应用于城市三维模型的直接获取、GIS数据获取、高压线监测、林业监测等领域。
LIDAR利用激光传感器对地面进行扫描，同时利用惯性导航系统实时定位飞机姿态，再加上GPS观测坐标，还可以打开LIDAR携带的数码相机进行航空摄影，获取相片数据。利用这些高精度的数据可以得到大范围高精度的4D产品。
根据LIDAR数据，可以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覆盖面积。这就便于人们在茂盛森林中适当砍伐树木，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。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。
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。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。
4.3 目前LIDAR系统存在的问题
当然LIDAR技术也有其不尽人意之处。例如LIDAR数据在密林及密集建筑区，由于激光雷达有多次回波，在数据滤波的时候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。
在LIDAR数据预处理阶段，因为LIDAR是由多种设备组成的复杂系统，其获取的数据也有很多种，信息获取时的数据流程也比较复杂。目前原始数据的获取和激光脚点坐标解算、精度控制等都由硬件生产厂家在提供原始数据时进行的，但因为用户不同，他们对数据的要求也不同，有时硬件厂家提供的数据不满足要求。所以迫切需要算法丰富、功能完备的LIDAR数据处理平台来满足不同用户和应用的需求。此外，LIDAR系统定位的基本原理是测角和测边，而激光雷达系统的扫描带宽是有限的，那么在进行大面积测量时，必须飞行多条航带才可以覆盖待测区域，而且航带间要保持一定的旁向重叠度。由于存在着系统定位和姿态测量误差，那么在旁向重叠区域会出现高程相对漂移。在LIDAR数据中，很难判读同名点，也就无法找到重叠区域的联系点，这使得传统航空摄影测量数据处理中对重叠区域的误差消除和平差的算法不能使用，因此必须研究新的拼接模型。
激光雷达直接获取点位的三维坐标，但忽略了反映对象特征的其他信息，如光谱信息。尽管在提取空间位置信息上，激光雷达数据有其自身的优势，但图像数据包含光谱信息对认识主题也具有重要的作用。目前一般在LIDAR上都集成有数码相机作为光谱信息的补充。此外，由于遮挡、物体特性等因素，数据集中往往会出现没有数据的部分（缝隙），一个明显的例子是“阴影”。作为一种主动式信息获取技术，激光雷达技术扫描角度有限，对光照度不敏感，因而受阴影影响相对较小。但位于扫描带边缘的建筑物等仍然会产生遮挡的现象。这种现象带来的一个直接问题是位于数据缝隙的内插点（高程）数据可能与实际情况存在较大差异，这就需要采用新方法在原始数据中判断是否存在这些缝隙，并采取相应的处理。
5 展望
机载LIDAR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的空间技术，在采集地标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，是进行大区域空间监测的利器。随着技术的成熟，LIDAR数据处理技术会得到改进，激光雷达的应用领域和深度也会日益拓宽和加深。
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※基金项目：湖南省国土资源厅软科学研究计划项目；项目编号：2012-30。