LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用

1、LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用 朱士才（江苏省测绘工程院 南京 210013）摘 要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种新技术于一身的系统，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。该技术在基础测绘DEM、DOM、DLG生产、精密工程测量、数字城市建设等领域具有广泛的应用前景，它代表了测绘技术又一个新时代的到来，。关键词：LIDAR 数字高程模型 测绘 一、 LIDAR的技术原理1、前言激光雷达技术是根据英文LightDetectionAndRanging的翻译而命名的专业术语，简称为LiDAR。该技术可以实现空间三维坐标

2、的同步、快速、精确地获取，并根据实时摄影的数码像片，通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的3D数据模型，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。因此被有些专家称为，继GPS以来在测绘领域的又一个技术革命。根据载体的不同，LiDAR技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类，目前这两类系统在国内外都得到了成功的运用。顾名思义，地面三维激光扫描系统的空间载体是地面，类似于传统的地面近景摄影测量。它将激光扫描仪直接与数码相机、GPS相结合，对目标物进行扫描成像，获取激光反射回波数据和目标表面影像，并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴加，从

3、而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。经过改装，地面三维激光扫描系统不但可以安置在固定设备上，也可以装载在运动的汽车上，进行连续的三维场景和目标形态的空间数据采集。机载激光雷达系统则是一款高速度、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（InertialMeasurementUnit，惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。与地面LiDAR技术相比，机载LiDAR更适合于大规模、大范围的测绘作业。2、LiDAR的测量原理我们知道，与普通光波相

4、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。使用激光进行距离量测可大大提高了数据采集的可靠性和抗干扰能力。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（包括镜面反射），总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到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）时间（t）/2在LIDAR系统中，结合GPS得到的激光器位置坐标信息，INS得到的激光方向信息，就可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成点云图像。这就是机载激光雷达的测高原理。

5、激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，拿频率为每秒一万次脉冲的系统来说，接收器将会在一分钟内记录六十万个点，数目相当可观。很多LADAR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。经过国内许多LIDAR应用项目得出，利用机载LADAR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1米，高程精度可达到10厘米至30厘米，地面分辨率甚至

6、可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合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。二、 LIDAR在测绘中的应用1、 快速获取数字高程模型数字高程模型（DEM）传统的采集方法主要有；数字摄影测量方法、等高线扫描矢量化和外业量测点建模等。这些方法耗时耗力，成图周期比较长，可靠性和精确度不太高，很难精确反映地面细微的地形地貌。尤其对于江苏省这样一个平原地区，DEM的成图指标要求比较加严格，平原地区高程精度要优于0.7米。通过常规技术手段进行大规模、高标准的DEM生产作业，难度很大，可靠性不高。而LIDAR技术最主

7、要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据，该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理，把入射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除，然后构建不规则三角网TIN，就可以快速提取DEM。由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM也成为可能，因此它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法，其产品精度甚至可以满足水利、地震、地质、交通等行业对高程的需求。2、 基础测绘的实施除了数字高程模型，基础测绘的“4D”产品还包括数字正射影像（DOM）、数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。对于DOM和DLG两种产品，其生产也不能缺乏高精度三维信息的支持

8、。例如：DOM是在DEM提供精确的地形信息的前提下，进行数字微分纠正得到的。如果没有可靠的DEM资料，传统生产DOM方法是通过数字摄影测量的方法实现的。数字摄影测量作业工序繁琐，设备要求和技术路线非常严格，对生产人员的技能要求比较高。而机载LIDAR技术提取的地面三维坐标,完全满足高精度影像微分纠正的需要，使得DOM的生产变得相当容易，可以无需使用数字摄影测量这种昂贵的专业平台，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。此外，高精度的激光点云数据还直观反映植被和地物的三维信息，利用这些资源，DLG地形地物的判读和量测更加准确，数据的采集变得更加容易。3、 精密工程测量很多精密工程测量，都需

9、要采集测量目标的高精度三维坐标信息，甚至需要建立精确的三维物体模型，比如：电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载LIDAR就是解决这种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型，是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。例如：LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时，通过LIDAR的成果数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维

10、护时，根据电力线路上的LIDAR数据点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、 数字城市建设数字城市是21世纪以来，很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。LIDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源，因此是数字城市建设的重要技术力量。数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术，进行城市三维建模是精雕细琢的工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，很方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态更新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障5、 水下地形测量有些LIDAR系统，采用了两种