机载lidar技术概述及其应用

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1、机载LiDAR技术概述摄影测量有着悠久的历史，国际摄影测量与遥感协会ISPRS（InternationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing）1988年给摄影测量与遥感的定义是：摄影测量与遥感是从非接触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体可靠信息的工艺、科学与技术。其中摄影测量侧重于提取几何信息，遥感侧重于提取物理信息。也就是说，摄影测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工艺、科学与技术。因此，从

2、19世纪中叶，摄影技术一经问世，便应用于测量。它从模拟摄影测量开始，经过解析摄影测量阶段，现在已经进入数字摄影测量阶段。当代的数字摄影测量是传统摄影测量与计算机视觉相结合的产物，它研究的重点是从数字影像自动提取所摄对象的空间信息。诚然，目前的科学技术已相当发达，计算机和高新技术已被广泛应用，数字立体摄影测量已经成熟，相应的软件和数字立体测量工作站已经在生产部门普及，但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影——摄影处理——地面测量（空中三角测量）——立体测量——制图（DLG、DTM、GIS及其他）的模式基本没有大的变化。这种生产模式周期明显是

3、太长了，不适应我们信息社会的需求，不能满足“数字地球”对测绘的要求了。LiDAR（LightLaserDetectionandRanging）技术是近数十年来摄影测量与遥感领域具革命性的成就之一。自2003年来，LiDAR作为一项成熟的高科技技术手段逐渐得到市场采纳和认可。它融合了激光扫描仪、IMU惯性测量单元、差分GPS以及航飞控制与管理系统等多项高科技技术。目前，在欧美发达国家，像美国和德国以及亚洲的日本，激光技术已经得到了普遍的应用，它的应用领域几乎囊括了经济建设的各个方面。1.1LiDAR技术的发展历程用激光雷达来精确确定地面上目标点的高度，始于

4、20世纪70年代后期。当时的系统一般称为APR(AirborneProfileRecorder)，主要用于辅助空中三角测量。最初的系统是仿型设备，仅能获得在飞行器路径正下方的地面目标数据。这些最初的激光地形测量系统很复杂，并且不适于获取大范围地面目标的三维数据。由于没有高效的航空GPS和高精度INS，所以很难确定原始激光数据的精确地理坐标，因此其应用受到了限制。到20世纪80～90年代，通过一系列的研究项目，如：USA、Australia(1980～1988年)：Diversefeasibilitystudies；德国Prof．Ackermann(198

5、9～1990年)：SFB“HighPrecisionNavigation”一FirstLaserprofilingatUniversityofStuttgart；德国TopScan(1993年)：FirstcommercialapplicationsinGermanyTopScanAITM1020，激光扫描技术已经得到了普及和大规模使用。至2004年全球已经有超过30类不同型号的激光扫描系统投放市场。随着DGPS技术、数据传输技术、计算机技术和图形图像处理技术的发展，现代激光扫描系统已经在许多领域得到了普遍使用。除了用于获取三维地形表面模型外，这种技术已

6、经成功应用于公路设计、水利、洪水和雪崩的预报、城市三维模型的构建、高压线监测、地面和大坝的变形测量、森林和树木高度的测量等。同时，地面激光扫描技术同样得到了快速发展，地面激光扫描系统可以用于建筑物三维测量、桥梁和矿井的三维建模和监测。激光扫描设备附加一台数字照相机，可以构成一套完美的遥感数据获取系统。因此，激光扫描技术及其相关技术的发展，为遥感领域开辟了一种全新的数据获取手段。1.2LiDAR系统介绍GPS、INS以及激光扫描器共同组成了一个整体的LiDAR遥感信息获取系统(见图1)。图1机载LiDAR系统1.2.1POS技术POS系统是机载激光探测与测

7、距系统的关键，也是必需包含的部件。其核心思想是采用动态差分GPS(即DGPS)技术和惯性测量装置(IMU,InertialMeasurementUnit)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。1.2.1.1DGPS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，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。利用安装于飞机上与LiDAR相连接的和设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G

8、PS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