激光雷达技术与传统航测遥感技术的比较

激光雷达技术与传统航测遥感技术的比较

唐玉姣

上海市测绘院200063

摘要：过去很长的一段时间，三维空间数据的取得都是依靠光学摄影机或数码相机，而激光雷达技术则是可以多次向目标测量物发射探测信号获取目标数据，测量更加高效和准确。航空摄影测量和激光雷达技术都被广泛的应用于基础测绘、三维重建、数字城市建设等领域。本文介绍了激光雷达技术的基本原理、生产应用领域与较于传统摄影测量技术的优势。

关键词：机载雷达；激光扫描；航空摄影测量；遥感技术

激光雷达（LiDAR）技术是1970年以后由美国航天局研发推广的一种先进技术，它是利用传感器向目标探测物发射激光，再将信息发射给传感器的一种技术。激光雷达（LiDAR）技术一般分为地面激光雷达和机载激光雷达两种，机载激光雷达是刚兴起不久的一种依靠飞机对地表物体进行测量的高新技术，在多等级三维空间信息的获取领取有着不可取代的领先地位，受到各个相关领域专家的青睐，如测绘、道路工程、水利等领域。提到高精度的数字地面模型DTM的建立，激光雷达技术比传统数字摄影测量技术更占上风，优势体现在自动化程度高、不受外界环境干扰、精度高等。尽管目前三维空间信息的取得还离不开传统的航空测量技术，但是激光雷达技术的优势在不断凸显，在不断精进的前提下，未来会是航空遥感领域的领头羊。

机载激光雷达技术在国外已经有十几年的发展历史，在我国引进这门技术以后，主要被用于地形勘测、三维城市建模等方面。由机载雷达技术获取的数据一般被称作机载LiDAR点云数据，其因为缺少探测物的光谱信息，进而不能提供有关探测物纹理和结构的信息，这和传统的遥感技术相比存在一定劣势。

介于机械雷达技术的植被穿透能力存在一定局限，在植被太多茂盛的地方，由激光感受器获取的数据庞大且复杂，需要手动对其进行分类，而数字摄影测量匹配技术就可以弥补这个缺陷。在北方一到秋天和冬天，茎秆比较高的农作物大多被农民收割或者凋落，在这段时间使用数字摄影测量匹配技术对目标物进行测量匹配，这时候获取的的地表数据比较精确，在和机载激光雷达技术获取的数据进行融合，选取合适的变量对数据进行自动筛选，不仅能提高数据处理的时效性还能提高最终数据的准确性。

三维机载激光雷达系统不仅能提供数据点的高程信息，还可以多个系统一起运作，并获取激光回波信号强度的数据。激光回波信号强度数据是对目标探测物的材质的体现，尤其反映其反射率。但是目前的激光回波信号的发射和发射均受到空气传送能力、激光穿透能力、激光扫描广度的限制，并不能准确地测量出地表物体的反射率。而且，每个激光雷达系统都有不同的记录标准。所以，激光回波信号强度数据需要经过校正。激光雷达回波强度信息的校正的最终目的是将获取的数据排除空气传送、激光穿透能力、激光扫描广度等影响因素的影响，使最终数据真实地反应地表物体的反射率信息。但是当前激光回波强度信息的校正这一难题并没有得到有效的解决。所以，目前的三维机载激光雷达技术或其他使用到激光强度信息的研究都是使用未经校正的激光回波强度数据。

目前，传感器技术、IT技术不断进步，基于测绘行业对相关技术的高要求，激光雷达技术就势产生，为测绘行业带来了更多便利。目前激光雷达技术远远优于传统的前方交会模式，是三维空间信息获取最有效的手段。机载LiDAR作为激光雷达技术的一种，相比于传统遥感系统的优势体现在以下几个方面：

1）机载LiDAR是由传感器自动获取数据的一种技术，通过传感器向目标物反射信号，然后接受反射信号，获取随时数据，不受天气状况的影响，而且是全天性观测，这些优势使其更适合用于军事或者环境勘测等领域。

2）机载LiDAR的激光束穿透能力强，不是太过浓密的植被都可以被穿透，所以，获取的信息基本能够真实地反应地表信息。

3）机载LiDAR能够勘测的范围较广，而且勘测速度很快，还是24小时实时勘测。

4）机载LiDAR技术的采样间距较传统的测量技术更小，得到的信息更能感应代表真实情况，密度大。

5）机载LiDAR技术不仅可以和传统数字摄影测量技术结合，还可以和其它三维空间技术融合，从而获取更准确的信息作为实验研究的数据。

但是，机载LiDAR在取得地表目标物三维数据的时候会受到数据获取手段的限制。首先，仅靠机载LiDAR技术并不能获取目标勘测物的纹理信息和结构信息；再次，通过机载LiDAR技术获取的激光点云数据是间断、无序、分布不均的。所以，仅靠机载LiDAR技术获取的地表三维数据精确度并不是最高的。

传统的摄影测量技术和遥感技术在纹理信息、结构信息和光谱信息的获取方面远远优于机载LiDAR技术。但是这两种传统技术也存在较大的弊端：首先，传统方法获取的信息大多是二维影像，并不是直接获取三维信息；再次，传统方法获取信息时受地表勘测物地形结构和周围遮挡物的影响较大，并不能穿透遮挡物获取真实信息；最后，传统方法获取的数据一般需要手动处理，而且信息量巨大，耗费时间过长，尤其在出现“数字地球”的概念后，需要收集的数据量更加庞大，显然传统方法不能满足这种需求。

LiDAR系统主要由激光扫描仪（LaserScannerm）、惯性测量装置（inertialmeasureunit，IMU）、GPS、监视及控制系统（operatordisplay）、数码相机及其他设备组成。而传感器是LiDAR系统最重要组成部分。这些构成组件都需要高度集成，但LiDAR系统会受到自身激光测点间距、飞行器坐标等因素的影响，所以导致激光脚点坐标精确度不是很高。机载LiDAR技术的偏差分规律偏差和偶然偏差两种，规律偏差导致激光脚点坐标的偏差。规律偏差主要有：系统集成综合偏差、测量角度偏差、GPS定位偏差、激光测量距离偏差、INS姿态测量偏差等，如果LiDAR还是用数码相机来辅助测量，还存在相机可能产生的偏差。目前GPS定位偏差对机载LiDAR技术的精确度影响最大，从厘米级到分米级不等。

机载LiDAR技术是24小时不间断测量，而且测量速度较快、测量成本低，所以受到测绘行业的普遍青睐。通过过去的测量经验总结和精度检验结果分析，得出如下结论：

1）航高高度和测量精确度呈反比例，航高越高，投射到地面的激光点的密度就会降低，这导致测量精确度降低。但是航高过低会增加投射次数，测量次数增加带来的是数据处理量的增加。所以，在实际的测量工作中，要结合目标测量物的地形状况等选择合适的航高。机载LiDAR可以达到1：5000乃至更高的精度标准。

2）激光虽然能穿透一定厚度的植被，但是穿透能力仍然有限，植被越密集，实际到达地面的激光束就越少，呈反比例相关。

3）机载LiDAR在取景方面的便利性远远优于传统航空摄影测量技术，他不用提前布设太多东西，直接采用高清数码相机拍摄，拍摄精度更高，制图速度更快，不用再冲洗照片、影响扫描，都以电子版的形式储存，避免原始数据的丢失。

4）机载LiDAR在高空拍摄的精度远远高于平面拍摄，这和传统的航空摄影相反，所以，探索两种技术的融合是为将来生成1：500或者更高精度的地形图的重要手段。

综上所述，机载LiDAR和航空摄影测量技术各有各的优势，也存在一定的不足。所以，将两种技术进行融合，可以获得有关探测物三维信息和纹理、结构信息，还可以提高工作效率和工作自动化水平。但是实现融合的前提是将两种技术获得的数据进行匹配。探索机载LiDARDSM深度影像与航空摄影测量技术的数据匹配手段具有很好的研究意义和应用意义。

参考文献

［1］赵峰，李增元，王韵晟，等．《机载激光雷达（LiDAR）数据在森林资源调查中的应用综述》

［2］吴华意，宋爱红，李新科．《机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术》

［3］宫鹏，黄华兵．《激光雷达技术在我国地形测图中应用》

［4］张小红．《机载激光雷达测量技术理论与方法》

［5］李英成，文沃根，王伟．《快速获取地面三维数据的Li-DAR技术系统》