機載激光雷達的優勢與發展
來源：《地理空間信息》2018年2月
作者：鄭若琳，洪 亮
摘 要：基於機載激光雷達技術在測繪行業應用的特點和優勢，對機載激光雷達的優點進行介紹，對其發展趨勢進行總結，並展望了應用前景。
關鍵詞：機載激光雷達;應用前景;發展趨勢
目前，LiDAR 技術的研究和應用飛速發展，國外陸續研發並生產出商用LiDAR 系統( 如圖1 所示)，佔領了大量市場。常見的商業激光雷達系統主要有Leica公司的ALS80-HA 系統、Optech 公司的ALTMS 系統、Saab 公司的TopEye 系統、Riegl 公司的LMS-Q 系列系統等。我國近年來LiDAR 事業發展也較快，能生產一些實用性的LiDAR 設備，LiDAR 技術的實踐應用也不斷拓展和深入[1-3]。
圖1 機載激光雷達系統示意圖
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1 機載激光雷達技術的特點與優勢
機載激光雷達技術作為一種新興的測繪探測技術，和其他測繪探測技術手段相比，具有一定優勢。
1)機載激光雷達技術是一種主動式測繪地表空間信息的技術手段。測繪探測技術手段總體來說可以分為兩大類：主動式和被動式。被動式測繪探測技術獲取的信息來自於目標反射的電磁波信息(如太陽光)或者目標自身輻射的電磁波信息[5,6]，此類型的測量技術手段受天氣、光照等自然條件的影響和制約。機載激光雷達技術屬於主動式探測手段，通過主動發射激光脈衝，獲取探測目標反射回來的信號並處理得到地表目標的空間信息。因此，機載激光雷達技術有不受天氣、光照等條件制約的優勢[7]。例如在汶川地震中，機載激光雷達技術就在惡劣複雜的環境中獲取了高精度的地面空間信息[8]。
2)機載激光雷達技術獲取空間信息的速度快，效率高，作業安全。機載激光雷達技術通過飛行器的飛行和激光脈衝的掃描完成探測工作，能在短時間內獲取大區域、大範圍的地表空間信息，工作效率較高。和傳統的人工測量的技術手段相比，極大地減少了工作量，縮短了外業測量的時間，提高了探測工作的效率。利用無人機等飛行器進行探測，可以對很多較為危險的區域進行探測，使得作業的安全性得以保障。這些優勢在電力巡線中有很好的應用[9]。
3)機載激光雷達發射的激光脈衝對於植被具有一定的穿透作用。在對森林等區域進行探測時，存在著樹木等植被的枝葉遮擋的情況，這對探測的結果會有較大的影響。機載激光雷達技術發射的激光脈衝信號對植被具有一定的穿透能力，可以很大程度上減少植被枝葉遮擋等造成的信息損失，獲取森林地區的真實地形數據[10]。
4)機載激光雷達技術獲取的數據精度較高。探測技術獲取的數據的精度，是評價該技術的重要方面和指標。機載激光雷達技術能快速獲取大範圍區域的地面目標的空間坐標，獲取的坐標具有較高的精度，保證了數據的可用性。在 1 km 的飛行高度下，機載 LiDAR 所獲取的點雲數據的高程精度可以達到15~20 cm，平面精度可以達到 30~100 cm[11]。
5)機載激光雷達技術提供的信息較為豐富。機載激光雷達技術不僅能夠解算地面目標的三維空間坐標，同時可以記錄地面目標的強度信息，部分LiDAR系統還能夠記錄回波次數信息。豐富的信息為LiDAR數據的使用提供了更多的可能性。強度信息和地面目標的反射率密切相關，不同物體具有不同的反射特性，將強度信息和三維坐標信息結合使用，可以用於對探測目標進行識別和分類。回波次數信息同樣也可以作為一種輔助信息來使用。機載激光雷達技術能夠提供豐富的信息，這也是LiDAR 技術的一大特點和優勢。部分學者綜合使用LiDAR 設備採集的多種信息，取得了很好的效果[12,13]。不同測繪探測技術的性能對比如表1。
表1 各種探測技術的對比
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機載激光雷達技術也存在著一定的不足，主要包括以下幾個方面：
1)機載激光雷達技術採集的數據具有一定的盲目性。雖然LiDAR 技術能夠獲取大量的採樣數據，但其數據採集具有一定的盲目性，發射的激光點束不一定會打在關鍵的地形點上，可能導致關鍵地形點信息的缺失。而且，當發射的激光點束打在飛鳥、行人或者深井上，會造成點雲數據出現粗差，因此在使用點雲數據前，必須要進行粗差的探測與剔除[15]。
2)機載激光雷達技術比較複雜，專業性強。機載激光雷達是一種集成的設備，包含諸多先進的技術設備，如果沒有相應的技術能力，將無法合理操作。
3)機載激光雷達數據產品比較少。目前機載激光雷達的產品比較單一，沒有充分發揮LiDAR 點雲數據的優勢，在具體的行業應用中，經常需要專門設計對應的產品類型、指標和流程，程序比較繁瑣，且產品質量不穩定。
2 機載激光雷達技術的發展趨勢及應用前景
2.1 發展趨勢
LiDAR 技術是新興的測繪技術，未來仍有很大的發展潛力。機載LiDAR 技術會朝著獲取多源數據、處理多源數據、生產多樣數據產品方向發展，主要體現在硬體系統和軟體系統兩大方面。
硬體方面，當前的機載LiDAR 系統的硬體設備型號多樣，不同廠商提供了豐富多樣的LiDAR 硬體系統。LiDAR 系統的軟體發展主要體現在數據獲取方面。為滿足生產實際的需求，機載LiDAR 硬體系統需要往多平台、多型號、多感測器、多波束的方向發展。
1)機載LiDAR 硬體系統的平台趨於多樣化，比如無人機搭載的LiDAR 系統就受到很多單位和研究人員的關注。
2)單一型號的硬體系統很難滿足實際的探測需求，適應不同探測條件的多型號LiDAR 系統正逐步發展起來。
3)多感測器的LiDAR 系統具有更優的探測能力。
4)傳統的LiDAR 系統主要針對陸地地表信息採集所用，其波長位於近紅外附近。隨著用戶實際需求的不斷擴大，機載LiDAR 系統不僅能夠探測陸地地表信息，還應該能夠滿足對非陸地，比如水域等的探測需求。探測不同類型區域目標應採用合適的探測波段，因此機載LiDAR 系統會朝著多波束方向發展[16]。
軟體方面，當前的機載LiDAR 系統的處理軟體也比較多，但相對於硬體系統而言是落後的。機載LiDAR 系統的軟體主要用於處理LiDAR 數據，並生產多類型的數據產品。就此而言，LiDAR 系統的軟體發展主要體現在以下兩方面：
1)數據處理方面。LiDAR 系統具有全天時的數據獲取能力，而且效率高、速度快。面對不同LiDAR 系統獲取的多時相、多氣候條件下的海量數據，軟體系統的發展應該不斷提高其處理數據的速度，提高其處理不同類型數據的能力。
2)數據產品方面。LiDAR 的軟體系統不僅要能夠快速高效地處理多類型數據，還要根據實際的需求，生產出滿足應用需求的數據產品，保證產品的質量。當前的LiDAR 軟體系統能夠提供一些滿足實際需求的產品，但仍需要從理論和實踐中探究數據處理的演算法，提高數據產品的精度。
機載LiDAR 技術目前已經取得了很大的發展，在諸多領域都得到了廣泛的應用。作為一種高效高精度的測繪探測技術，機載LiDAR 技術會朝著獲取多源數據、處理多源數據、生產多樣數據產品方向發展，這對LiDAR 的硬體系統和軟體系統都有一定的要求。
2.2 應用前景
1)機載激光雷達在測繪行業的應用前景。機載LiDAR 硬體的發展，出現了平台多樣化、型號多樣化的特點，能滿足大比例尺地圖測繪、工程測量、變形監測等不同測繪行業的各種需求;而軟體方面，數據處理速度的提升、數據處理量的增加、數據產品類型的豐富，將為測繪行業帶來巨大的經濟效益[17]。
2)機載激光雷達在林業的應用前景。隨著機載LiDAR 技術獲取多源數據、處理多源數據能力提升，及其可直接獲得單株木的位置、樹高和冠幅這3 個垂直結構參數的特點，使得樹種識別得到了一定程度的提高，而森林樹種的精細識別是森林碳儲量估算、森林生物多樣性等研究的基礎，因此，機載LiDAR 的發展對於我國林業的發展也有質的提升[18]。
3)機載激光雷達在水利行業的應用前景。機載LiDAR 數據產品豐富、自動化程度高、獲取數據精度高、生產周期短等優勢，在水利樞紐工程中得到了較好的應用，可減小外業調查的工作量，提高工作效率、降低生產成品[19];無人機機載LiDAR 系統更可在防汛抗旱、搶險救災、水土保持監管、河道監管、凍土監測、山洪災害調查、水溫分析等水利行業的多個領域進行應用，具有較好的應用前景[20]。
參考文獻：略
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