三維激光雷達在測量中的應用

　　1引言 
　　激光雷達技術最早源于二十世紀六十年代激光技術誕生之初的研究，但將其用于獲取三維信息成像卻是二十年之后，即從上個世紀八十年代開始著手研究并發展至今。在國內，激光雷達的硬件研究仍處于起步階段，現有的技術還無法滿足測量范圍及精度要求。由于沒有高精度的INS系統以及性能激光強度，激光功率，脈寬，測距精度可靠的激光測距裝置，至今國內還沒有成熟的激光雷達系統出現。但目前國內的研究工作者在相關領域方面的研究己經有了一定的成績，北京遙感應用研究所李樹楷教授研究的機載激光掃描測距成像系統原理樣機于1996年完成，將激光測距儀與多光譜掃描成像儀集成于同一系統中，通過硬件實現了數字高程模型和遙感影像的精確匹配，直接獲取地學編碼影像。武漢大學李清泉教授研制開發了主要用于堆積測量地面激光掃描測量系統，天津大學葉聲華教授所在的精密測試技術及儀器國家重點實驗室也對激光雷達做了深入研究并取得了顯著成果。 
　　2三維激光雷達測量原理 
　　三維激光雷達是以發射激光束探測目標的空間三維球坐標的雷達系統。采用相干測角、調頻測距原理，向目標發射探測信號，然后將接收到的從目標反射回來的回波信號與發射信號進行比較嗎，作出適當處理后可獲得目標的球坐標。 
　　2.1空間點三坐標測量 
　　空間點三坐標激光雷達是基于球坐標進行測量，即通過激光調頻測距獲知空間點P的距離p，通過掃描頭的方位俯仰兩個軸上的圓光柵獲知空間點方位和俯仰角度α和β，如圖1所示，得到被測空間點P的三維坐標計算公式為 
　　（1） 
　　式中p為空間距離，采用調頻相干測距方法測量。Θ為P與XY平面的夾角，α為P在XY平面的投影與X方向的夾角。三維激光雷達測得點的球坐標（p，α，Θ），通過（1）式坐標變換得到了在以激光雷達位置為原點的笛卡爾坐標系中的三維坐標（x，y，z）。 
　　2.2 掃描測量 
　　激光掃描測量是通過調整激光雷達掃描頭的方位、俯仰運動來實現的。激光雷達測量時將激光掃描測量系統安裝到支撐底座上，對待測物進行俯仰和方位的掃描并獲得其點云數據，通過軟件對點云的采集，預處理，插補，縫合，重構等步驟得到試件的實體模型。最后針對得到的實體模型進行解析，從而得到需要的測量參數，也可以直接針對處理后的點云數據進行操作。求得被測參量，激光掃描測量原理如圖2所示。 
　　3 三維激光雷達技術的工作流程 
　　（1）有效獲取原始飛行數據。三維雷達測距系統沿著線路走廊進行飛行，將輸電線路空間的位置數據進行實時記錄。原始飛行數據主要包括激光掃描數據，慣性導航系統數據，激光反射強度信息，回波數據以及原始數碼影像。 
　　（2）航線重構。航線重構主要是拼接后期的航帶，并提供有效的數據支持作用。同時利用 GPS聯合差分解算，可以將飛機飛行軌跡進行有效確定，并保證著精確性。 
　　（3）消除激光數據系統中的誤差和異常。在獲取激光原始數據后進行處理時必須將激光數據系統中的誤差和異常進行有效消除。 
　　（4）將激光點三維空間坐標進行有效計算。可以運用軟件算法聯合處理飛機GPS軌跡數據，激光測距數據等方面，然后可以計算出各個測點的三維坐標數據。 
　　（5）航帶拼接。實施航帶拼接可以增強線路重疊區域數據的精確性，提高接邊地物的連貫性。 
　　（6）識別和擬合線路。在識別和擬合線路過程中，需要提取部分線路，這時可以利用軟件濾波和分類算法方法，并可以有效連接空間線路上存在的缺失部分。 
　　（7）人工交互編輯。采用人工交互編輯！主要是為了消除自動算法中失效的激光點，同時也將沒有正確分類的激光點以及沒有正確濾掉的激光點進行消除。 
　　（8）測量線路和地面的距離。在測量線路和地面距離時可以使用人工交互編輯和自動算法也可以將預警結果顯示出來。 
　　4 機載激光雷達系統的應用 
　　（1）測制帶狀目標地形圖 
　　包括道路測量，道路規劃和設計；輸電線路，海岸侵蝕監測，海岸地帶管理，交通運輸，河道和水資源，交通管理，測繪鐵路線路，光纜鋪設，煤氣管道，溝渠等。西南交通大學的梁策研究了基于LIDAR數據獲取鐵路縱橫斷面的方法，利用激光雷達數據獲取Tin模型再從Tin模型中獲取鐵路截面，并開發了鐵路縱橫斷面獲取軟件。 
　　（2）災害調查與環境監測 
　　主要應用于自然災害（如咫風、地震、洪水等）的災后快速、及時、準確的評估和響應。美國宇航局戈達德航天飛行中心（GSFC）自1993年就利用機載激光雷達測量格陵蘭冰原厚度。從1998年到1999年，又在同樣的飛行路線上測量冰原厚度。利用兩次測得的數據，并綜合氣溫變化、冰原內積雪程度以及降雨量等因素來計算冰原融化速度。中國水利水電科學研究院的何秉順研究了三維激光掃描技術在堰塞湖地形快速測量中的應用，對汶川大地震造成的安縣肖家橋、罐灘堰塞湖地形變化進行了測量和分析。 
　　（3）海岸地區測繪 
　　包括淺海水測量，海岸線測繪，海岸侵蝕的動態監測。美國、加拿大、澳大利亞、瑞典等國為淺海地形測量發展的低空機載系統，使用了機載激光雷達系統，飛行高度為500――600m，直接進行測距與定位，最終得到淺海地形（或DEM）。比較典型的是美軍現用的一種獨具特色的激光掃描水下地形測量系統，采用激光雷達技術實施遠距離量測淺海深度并測繪海岸地帶的地形，監測海岸侵蝕等。 
　　（4）森林資源調查 
　　激光雷達系統主要應用于利用機載激光雷達技術提取森林地區DEM和推求森林植被參數。機載激光雷達能同時獲得樹冠底部的地形信息及樹高信息。通過數據后處理，可分析植被覆蓋并對其加以分類，可計算樹高、樹種及其林木體積，可動態監測植物的生長情況，以及提取真實數字地面模型。中國測繪科學研究院的李英成提出了一種適用于森林地區LIDAR數據濾波的算法，能在中等復雜地形的林區有效剔除粗差點、確定樹木點云、地面點云。 
　　（5）城市三維建模 
　　隨著“數字城市”的發展，三維城市數據的自動采集是一個重要環節，除了數字攝影測量外，從激光雷達數據直接獲取建筑物的三維信息變得越來越重要。美國普度大學Alharhty等人對具有兩次反射距離的純激光測距點提取建筑物進行了研究，通過漸進濾波方法進行建筑物三維信息的提取，提出了基于兩次回波信息的漸進濾波提取建筑物。荷蘭代夫特大學Vosselman等人根據點云和地平面信息來重建三維建筑物模型進行深入研究，采用三維Hough變換從不規則分布的點云中提取屋頂面的信息。 
　　5 結語 
　　利用三維激光雷達測量是一種高效率、高精度的新方法。它具有傳統測量方法不可比擬的優越性。速度快，自動化程度高，勞動強度低，精度高。激光雷達掃描所獲取的數據量大，數據點密度高，完全能夠反映物體的表面特征，從而可以相當精確地計算體積，解決了常規測量方法所不易解決的表面近似誤差等問題。