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激光雷达测量系统介绍

数据事业部李谨

Lidar(LightDetectingAndRanging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的

高科技集成系统,代表着当前数码测绘技术的前沿。机载GPS提供Lidar系统的空间位置,

惯性测量系统提供Lidar激光的方向,激光系统提供激光脉冲,计算机系统提供高速、大规

模数据存储空间与处理能力。近年来,国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。其主

要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面

重建研究,以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。

一.Lidar技术产生背景

激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。40年来,经过基础理论和应用技术研究,

目前已经进入全面发展和应用阶段。激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生

面,而且广泛渗透到各个学科。它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手

段,带动和促进了科学技术的发展。

利用激光作为遥感设备,可追溯到30多年以前。从20世纪60年代到70年代这段时期,人

们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星

激光测距。美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。20世纪80年代

末,以机载激光扫描测高技术为代表的空间,对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获

取方面产生了重大突破。随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技

术的发展日新月异。机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型,以

及地面物体的三维坐标,进而获取地表物体的垂直结构形态。同时,配合地物的视频或红外

成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发

展前景和应用需求。机载激光扫描测高技术的发展,为获取高时空分辨率的地球空间信息,

提供了一种全新的技术手段。使人们从传统的人工单点数据获取,变为连续自动数据获取,

提高了观测的精度和速度,使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。

二.Lidar技术的发展与现状

20世纪80年代,激光测量得到了迅速发展,包括当时美国NASA研制的大气海洋LIDAR系

统以及机载地形测量设备等机载系统。但机载、空载激光扫描测高技术直到最近十几年才取

得重大进展,研制出精确可靠的激光测高传感器,包括航天飞机激光测高仪、火星观测激光测

高仪,以及月球观测激光测高仪。利用它们可获取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨

率的地形信息,这对于研究地球和火星等行星的真实形状有着重要的科学意义。1984年就有

研究者从事机载激光地形测量的研究,并给出了测量结果。德国斯图加特大学摄影测量学院

在1988年开始,研究机载激光扫描地形断面测量系统;荷兰测量部门自1988年就开始从事利

用激光扫描测量技术提取地形信息的可行性研究;加拿大卡尔加里大学1998年进行了机载激

光扫描系统的集成与试验,通过对所购得的激光扫描仪与GPS、INS和数据通讯设备的集成,

实现了一个机载激光扫描三维数据获取系统,并进行了一定规模的试验,取得了理想结果;日

本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成与试验。

20世纪90年代,随着相关技术的不断成熟,机载激光扫描测高技术得到蓬勃发展,欧美

等发达国家先后研制出多种机载激光扫描测高系统,如TopScan、Optech、TopEye、Saab、

Fli-map、TopoSys、Hawk2Eye等多种实用系统。Leica公司也推出了机载激光扫描测高仪

LeicaALS40。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。

随着机载激光扫描测高技术的不断成熟,其应用范围不断扩大。美国、加拿大、澳大

利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统,使用了机载激光测距设备、全球定位

系统、陀螺稳定平台等设备直接进行测距与定位,最终得到浅海地形。比较典型的是美军现

用的一种独具特色的激光扫描水下地形测量系统,采用

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