机载激光雷达原理与应用科普（三）

内容摘要&＃xff1a;机载激光雷达测量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&＃xff0c;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&＃xff0c;提高了观测的精度和速度&＃xff0c;使数据的获取和处理朝智能化和自动化方向发展。机载激光雷达测量系统能够快速获取高精度、高空间分辨率的数字地表模型&＃xff0c;进而获取地表物体的垂直结构形态&＃xff0c;同时配合地物的视频或红外成像&＃xff0c;更加增强了对地物的认知和识别能力&＃xff0c;在三维地利空间信息的数据采集方面具有广阔的发展前景和应用需求。

机载LiDAR的主要应用领域

机载激光雷达传感器发射的激光脉冲能部分穿透树林遮挡&＃xff0c;直接获取真实地面的高精度三维地形信息&＃xff0c;在有些方面已经较传统摄影测量方法优越。机载激光雷达测量不受日照和天气条件的限制&＃xff0c;能全天候地对地观测&＃xff0c;这些特点使它在灾害监测、环境监测、资源勘查、森林调查、地形测绘等方面的应用具有独特的优势。在许多场合&＃xff0c;能有效地弥补现有其他传感器的缺陷&＃xff0c;是对现有航空传感器的一种有效补充。机载激光雷达测量技术可以作为获取地球空间信息的一种重要的技术手段&＃xff0c;又可以同其他技术手段集成是用&＃xff0c;如将激光雷达测量技术同传统的航空相机、CCD相机以及红外遥感器等结合&＃xff0c;可组成一套新的功能更强的遥感系统&＃xff0c;为地球空间信息智能化的处理提供新的融合数据源。

迄今为止&＃xff0c;即在激光雷达测量主要用于获取大范围高精度的数据地表模型&＃xff08;DTM&＃xff09;以及城市地表模型&＃xff08;DSM&＃xff09;&＃xff1b;测制带状目标地形图&＃xff1b;测绘线状地物如电线等电力设施、输气管道线路或高速公路、城市排水管线、道路等&＃xff1b;测制输电线和电线杆&＃xff08;塔&＃xff09;线路图、无线电远程通讯中继站线路设计&＃xff1b;直接获取森林地区真实地表的高精度三维信息&＃xff0c;生成林区DTM以及进行森林植被参数测定&＃xff0c;并获取森林垂直结构参数&＃xff1b;海岸带地形测绘&＃xff0c;包括沙丘和湿洼地&＃xff0c;检测海岸变化及动态侵蚀情况&＃xff1b;高精度及高空间采样密度的地形测量&＃xff0c;如洪涝灾害评估&＃xff0c;大型采石场及煤田等大型堆积物的体积测量&＃xff0c;生成采矿区DTM和DSM&＃xff0c;自动提取城市房屋和道路&＃xff1b;三维城市景观模型&＃xff0c;用于虚拟现实、城市规划、自然灾害三维实时监测、GIS数据采集&＃xff1b;土地剖面测量&＃xff1b;冰面变化测量&＃xff1b;危险区域的测绘&＃xff0c;如沼泽地及其他无法到达地区的测绘&＃xff0c;如沙漠面积测量、有毒废物场及工业垃圾堆积的测绘&＃xff1b;大地水准面的确定。
1、林业应用
LiDAR数据最初主要利用其地面回波进行地形制图&＃xff0c;而植被回波被看作是“噪音”&＃xff0c;从而忽略了LiDAR数据在林业上的应用潜力。直到近几年加拿大和欧洲的自然资源科学家才开始意识到LiDAR数据在研究生物空间森林结构方面的应用价值。激光雷达技术通过主动获取三维坐标信息来定量估测森林参数&＃xff0c;尤其在估测森林高度及林木空间结构方面具有独特的优势。国外许多研究已经证明机载小光斑LiDAR数据在森林资源调查中的重要性&＃xff0c;一些国家正在考虑用LiDAR技术进行森林资源调查。此外&＃xff0c;机载激光雷达技术可极大的减少外业控制点的布设量&＃xff0c;从而减少外业人员在恶劣环境下的工作量&＃xff0c;在生态脆弱地区的保护工作中具有得天独厚的优势。

传统的光学遥感技术仅能提供林木的二维信息&＃xff0c;需要借助其它辅助信息才能获得其三维结构参数&＃xff0c;而LiDAR数据可直接获取森林三维结构信息&＃xff0c;其三维可视化可直接用于林木垂直分布参数的评估。通过激光扫描数据可以准确地估测林分特征&＃xff08;森林参数&＃xff09;&＃xff0c;如树高、胸高断面积以及林分蓄积量。还有研究将LiDAR数据和其它多光谱影像融合以获取高精度的森林参数&＃xff1b;此外还有将LiDAR数据的三维信息和摄影测量技术相结合进行森林参数提取。
通过对机载激光雷达多重回波数据进行处理&＃xff0c;生成DSM和DEM&＃xff0c;准确分离出树木覆盖图&＃xff0c;可以获得树冠结构模型和树下裸地模型。其成果可以被广泛应用于森林资源监测、荒漠化监测、野生动植物监测、林火监测、湿地监测、规划评估、林业总体工程设计、风景园林工程设计、自然保护规划设计、木材蓄积量、年度造林面积等方面&＃xff0c;为林业现代化建设提供良好数据支持。
尽管如此&＃xff0c;小光斑激光雷达系统的研究仍存在局限性&＃xff0c;主要是因为研究的数据成本较高&＃xff0c;而小光斑激光雷达数据的研究范围较小。LiDAR遥感技术是一项成熟的逐步扩大的技术&＃xff0c;随着LiDAR传感器的不断进步&＃xff0c;采集地表点密度的逐步提高&＃xff0c;单束激光可接收回波数目的增多&＃xff0c;LiDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。就光斑大小和间隔而言&＃xff0c;脉冲发射频率和分辨率将会继续提高&＃xff0c;更加适应不同类型的地形。更高的飞行高度可以获得较大范围的覆盖面积&＃xff0c;LiDAR数据和摄影测量数据的自动校正将会提高数据融合质量。利用LiDAR数据构建的三维虚拟现实(VR&＃xff0c;Virtual Reality)系统将具有更为理想的现实模拟表达能力&＃xff0c;其可靠程度也进一步提高。在此基础之上进行更为精细的森林参数分析&＃xff0c;如树高、树干材积、胸高断面积、生物量以及枝干密度等&＃xff0c;并对其作进一步的研究和应用将可获得更为理想的结果。

2、交通测量

随着交通建设的不断发展&＃xff0c;道路、铁路的选线科学化、精确化的需求不断增大&＃xff0c;而如何在复杂的地形条件下实现低成本、高效率的交通线路维护&＃xff0c;预见并降低各种地质灾害对交通线路的损害&＃xff0c;就成为各级交通设施维护部门面临的主要问题。机载LiDAR系统可以快速提供交通线路走廊范围内的详细、直观的影像资料&＃xff1b;微地貌数据以及植被覆盖数据&＃xff1b;并可基于上述数据建立起交通线路走廊数据库&＃xff0c;为交通线路选线和维护提供详尽、完备的资料。极少的野外勘测工作可以进一步降低成本&＃xff0c;并可以在该数据库基础上结合GIS技术&＃xff0c;提供包括&＃xff1a;剖面图制图、土方量等工程基础参数计算、交通线路走廊的选线分析、地质灾害分析与管理、交通设施维护、基础数据管理等内容的交通应用综合解决方案&＃xff0c;从而提高交通线路管理和规划的现代化、科学化程度。机载LiDAR数据应用于高速公路测量时可用于&＃xff1a;监控高速公路和其周围的环境&＃xff1b;利用影像数据检测周围的地物&＃xff1b;利用高程数据评估高速公路的质量&＃xff1b;展示重要细节以计划重建和修复任务。

机载LiDAR数据应用于高速公路测量
3、测制带状目标地形图

主要用于工程建设中&＃xff0c;包括测绘铁路、公路线路图&＃xff0c;测绘输油管道图&＃xff0c;电力线图的绘制等等&＃xff08;此处以电力线图的绘制为例进行说明&＃xff09;。
机载激光雷达系统具备独有的多重回波特点&＃xff0c;并能同时记录地物反射回波强度&＃xff0c;进而可以迅速准确地提取电力线。通过回波分类和回波强度处理技术&＃xff0c;可生产三维电力线模型、植被模型和裸地三维模型等&＃xff0c;基于上述模型还可实现悬挂线的弯曲度计算、下垂度测算&＃xff0c;净高评估和电塔位置制图、电力选线等应用。相对于传统的摄影测量&＃xff0c;机载激光雷达系统弥补了其对电力线测量无能为力的空白&＃xff0c;节省了大量的外业勘测时间和人力投入&＃xff0c;缩短了提供数据的时间&＃xff0c;节约了成本&＃xff0c;数据精度却大大提高。

电力输送项目极大地方便了电网布设与维护管理工程&＃xff0c;在进行电力线路设计时&＃xff0c;通过LiDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。尤其是在树木密集处&＃xff0c;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护时&＃xff0c;根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地而裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度&＃xff0c;这样就可以便于抢修和维护。红色的为电力线&＃xff0c;可以很清楚地看到电力线的走向及与植被的高度关系&＃xff0c;便于进行设计&＃xff1b;实时提供高精度的断面&＃xff0c;大大减少外业工作量&＃xff1b;提供准实时高精度的三维数据&＃xff0c;可以精确测量线路走廊内危险点的距离。

4、城市三维建模
城市是GIS运用和研究领域的一个重要方面&＃xff0c;3D城市模型是许多应用领域迫切需要的&＃xff0c;已被广泛运用于城市规划、建筑设计、无线通讯等领域。
如城市规划中的建筑物景观模拟、地下管线的3D显示等问题。3D城市模型作为GIS研究的一个重要方向已引起GIS学术界和应用部门的广泛关注&＃xff0c;同时也是近年来提出的“数字地球”的一个重要组成部分。高密集的机载激光扫描数据在3D城市模型领域有着广泛的应用前景&＃xff0c;有望彻底解决利用摄影测量手段建立三维城市模型的瓶颈问题。结合高密集的激光扫描数据和地面二维平面数据建立3D城市模型的技术已有研究&＃xff1b;机载激光扫描测高可提供高密度和高精度的观测值&＃xff0c;根据这些高程数据的集合变化纹理特性能探测、重建3D建筑物模型。建筑物的三维重建比用影像匹配更容易&＃xff0c;比手工处理更快&＃xff0c;具有很广阔的应用前景。

5、灾害调查与环境监测
主要应用于自然灾害(如咫风、地震、洪水等)的灾后评估和响应


灾害调查监测
利用机载激光雷达测量的快速、全天候和高精度的特点&＃xff0c;可以在灾害发生后迅速获得灾害现场的具体情况&＃xff0c;从而快速提供可靠的灾害损失数据&＃xff0c;用于制定救灾方案和评价灾害损失。机载激光扫描测高技术能快速、及时、准确的服务于自然灾害的管理、评估与监测的管理。LiDAR技术对于河流监控与治理也有着极其重要的意义。
由于LiDAR数据构成的三角网高程可用某一颜色赋值渲染&＃xff0c;这样水利部门可以按某一高程值进行颜色渲染&＃xff0c;可以直观看出水位淹没的范围&＃xff0c;又可测算出水位到这一高程时淹没的区域面积以及其危害程度。因此&＃xff0c;水利部门可以进行有效的水利工程设计&＃xff0c;河流监控与治理。最近发展的机载激光扫描测高技术能快速有效地获得高精度的地形数据。美国宇航局戈达德航天飞行中心(GSFC)科学家自1993年起就利用机载激光扫描测高技术测量格陵兰冰原厚度。在1993年到1994年间&＃xff0c;他们在格陵兰上空以各种路线飞行&＃xff0c;并同时进行测量。从1998年到1999年&＃xff0c;他们又在同样的飞行路线上测量冰原厚度。科学家利用两次测得的数据&＃xff0c;并综合气温变化、冰原内积雪程度以及降雨量等因素来计算冰原融化速度。科学家估计整个格陵兰冰原每年净损失51立方公里&＃xff0c;这足以使海平面每年升高约0.13mm。
6、海岸带侵蚀情况监测

海滩、海岸以及近海区域是一个特殊区域&＃xff0c;传统测量和航测都受到一定的限制&＃xff0c;作业非常困难。利用机载 LIDAR 这种主动传感技术&＃xff0c;能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量&＃xff0c;且具有一定的水下探测能力&＃xff0c;可测量近海水深 70m 内水下地形&＃xff0c;可用于海岸带、海边沙丘、海边堤防和海岸森林的三维测量和动态监测。

海岸侵蚀情况
机载激光雷达技术&＃xff0c;与现有的测量方法比较&＃xff0c;一方面它可以作为摄影测量的一种补充&＃xff0c;另一方面它也是摄影测量技术的一种竞争技术。然而&＃xff0c;在某些应用中&＃xff0c;例如林业、海岸工程或输电线路等&＃xff0c;机载扫描测高技术提供的独特能力是其它任何技术都无法做到的。目前各国都在应用机载激光扫描测高技术&＃xff0c;虽然该技术应用领域在不断扩大&＃xff0c;但在某些方面仍有待完善&＃xff0c;表现在&＃xff1a;
① 调整脉冲重复频率和分辨率以调整地面激光脚点的大小和间距&＃xff0c;利用低空直升飞机平台为特殊应用提供更为详尽的地面信息&＃xff1b;通过提升航高扩大覆盖范围&＃xff0c;进一步改善系统绝对定位精度&＃xff1b;通过对回波信号的电子分析&＃xff0c;获取地面激光脚点的额外地表特征信息。
② 在数据处理方面还具有很大的发展空间&＃xff0c;主要是智能滤波和地物分类。对非直接获取的目标和要素&＃xff0c;通过更为复杂的目标建模提取更加完全的信息&＃xff0c;如地貌结构、城市模型、环境动态变化监测或数据的融合综合处理等。
③ 与其它技术的集成&＃xff0c;成为地理信息获取领域中经济有效的方法。配备数字相机&＃xff0c;实现几何描述数据与数字图像数据高度自动融合&＃xff0c;进行目标识别和地物捉取、分类。数字式激光与图像数据的综合&＃xff0c;实现与摄影测量的有效融合&＃xff0c;形成高度综合的多用途系统&＃xff0c;实现通用多传感器、多数据源的完全融合。

[参考文献] 王丽英. 机载LiDAR数据误差处理理论与方法[M]. 测绘出版社, 2013