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机载激光雷达LiDAR技术介绍
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来源： 作者：国学 发布时间：1970-01-01
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1 前言
众所周知，摄影测量经历了模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量三个阶段，但获取地面三维数据的工作流程基本没有太大变化，如航空摄影一摄影处理一地面测量(空中三角测量)一立体测量一制图的模式基本没有太大变化(李英成 2002)。这种模式生产周期长、费用高、效率低、高程点获取的密度低，已不适应当前信息社会的需要。
机载LiDAR(LightLaser Deteetion and Ranging)，又称机载雷达，是激光探测及测距系统的简称。在不同的文献中机载LiDAR的称呼不同(刘经南 2003)，主要有机载激光测高(airborne laser altimetry,ALA)；机载激光地形测绘(airborne laser topographic mapping,／airhorne laser terrain mapping,ALTM)；机载激光测量系统(airborne laser mapping,ALM)；机载激光扫描测量系统(airborne laser scanning,ALS)；激光测高(laser altimetry)。它集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备(图1)。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲呵获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术(数码相机)可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。 中国地理网
在过去十年，作为精确、快速地获取地面三维数据的工具已得到广泛的认同。据统计，截至2001年7月全球约有75个商业组织使用60多种类似的系统，从1998年起，以每年25％的速度递增(M.F．2001)。 加拿大Optech公司生产的ATLM和SHOALS、美国Leica公司的ALSSO、瑞典的TopoEyeAB公司生产的TopEye、德国IGI公司的LiteMapper、法国TopoSys公司的FalconⅡ等是当前较成熟的商业系统。机载LiDAR技术的研究在国内已经兴起。在国家863计划的支持下，中国科学院遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载三维成像系统于1996年完成了第一台线扫描原理样机的研制(李树楷2000)，该系统有别于目前国际上流行的机载LiDAR系统，它将激光测距扫描仪与多光谱扫描成像仪共用一套扫描光学系统，从而保证地面的激光测距点和图像上的像元点严格匹配，即在获取地面点的图像同时还获取该点到成像仪的激光距离值(尤红建2000)。武汉大学李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量系统。
本文主要介绍机载LiDAR的系统组成和数据处理流程。
2 系统介绍
2．1 POS技术 chinageog
POS系统是机载激光探测与测距系统的关键，也是必需包含的部件。具核心思想是采用动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(RpIMU-Inertial Measurement Unit)直接在航测飞行中测定传感器的位置和姿态，并经严格的联合数据处理(即卡尔曼滤波)，获得高精度的传感器的外方位元素，从而实现无或极少地面控制的传感器定位和定向。
2．1．1 DGPS
用载波相位测量虽不具备实时性，但具有极高的定位精度潜力(袁修孝 2001)，可使定位精度达到厘米级。机载LiDAR采用动态载波相位差分GPS系统。利用安装了电机上与LiDAR相连接的和没在一个或多个基准站的至少两台GPS信号接收机同步而连续地观测CPS卫星信号、同时记录瞬间激光和数码相机开启脉冲的时间标记，通过载波相位测量差分定位技术的离线数据后处理获取LiDAR的三维坐标。机载GPS天线安装在飞机顶部外表中轴线附近，尽量靠近飞机重心和扫描器中心的位置上。另外，地面GPS接收机的数据更新频率不低于机载接收机的更新频率。如果采用实时动态差分技术，还必须架没数据发射电台，以便把必要的数据发送给作业飞机上的接收电台上。
2．1．2 IMU
IMU获取的是机载LiDAR的姿态信息，即滚动、俯仰和航偏角。
虽然DGPS系统可量测传感器的位置和速率，具有高精度，误差不随时间积累等优点，但其动态性能差(易失锁)、输出频率低，不能两侧瞬间快速的变化，没有姿态量测功能。而IMU有姿态量测功能，具有完全自主、无信号传播、既能定位、测速，又可快速量测传感器瞬间的移动，输出姿态信息等优点，但主要缺点是误差随时间迅速积累增长。可以看出DGPS与IMU正好是互补的，因此，最优化的方法是对两个系统获得的信息进行综合，这样可得到高精度的位置、速率和姿态数据。IMU／DGPS数据的处理主要是通过卡尔曼滤波来实现的。 中_国_地_理_网
2．2激光扫描仪
激光测距技术利用激光的特点是单色性好、方向性强、能量高、光速窄等特点，实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距技术在传统的常规测量中扮演着非常重要的角色。
激光扫描仪技术是随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新测绘技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。
激光扫描仪是LiDAR的核心，—般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成(图2)。
依据不同用途和设计思想，扫描仪的特性也有所不同，主要区别表现在光斑尺寸、回波记录方式和扫描方式等方面。其他指标还包括波长、功率、脉冲重复频率等。以下对这些特征作一些简单介绍。表1是几种商用机载LiDAR性能参数的对比。
①波长：机载LiDAR采用的激光波长一般位于近中红外的大气窗口，常用的有1064nm、11047nm、1550nm等，测深LiDAR系统还采用透水性较好的蓝绿激光波段，如532nm。 中_国_地_理_网
②脉冲重复频率：脉冲重复周期，实际上说明了激光脉冲序列中两相邻脉冲间的间隔。在—定的高度和扫描角的情况下，脉冲重复频率越高，所获得的地面激光点的密度越高。
③功率：设脉冲激光器输小的单个脉冲持续时间(脉冲宽度)为t，(实际为 FWHM宽度)，单个脉冲的能量为E，输出激光的脉冲重复周期为T，那么，激光脉冲的平均功率Pav=E／T，(即在一个重复周期内的单位时间输出的能量)。脉冲激光讲峰值功率(peak power)Ppk=E／t。在扫描角一定的情况下，功率越高，激光可测距离越远。
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