摘要：机载激光雷达测量技术是测绘领域的一项热门高新技术，机载激光雷达测量受外部环境和天气的影响很小，能够通过非接触主动测量来获取高精度真实地面的三维地形数据。因而在灾害监测、文物保护、电力线路勘测设计、森林植被调查、军事调查、地形测绘等方面得到了广泛的应用。随着机载激光雷达测量技术的不断进步，应用范围越来越广，硬件技术和系统集成问题已基本得到解决，但点云数据处理仍然是当前测绘领域的研究热点和重点，主要包括安置角误差的检校、点云自动化的滤波、机载激光雷达测量数据的地物提取等。基于此，本文主要对机载激光雷达系统的应用与数据后处理技术进行分析探讨。
关键词：机载激光雷达系统；应用；数据后处理技术
1、前言
按照安装平台的不同，激光雷达分为地面、机载和星载激光雷达。地面激光雷达一般固定在三角架、固定点或者沿固定轨迹移动，获取的数据范围较小，但精度较高。与地面和星载相比，机载激光雷达的技术比较完善，有多家公司提供集成设备。目前，机载激光雷达的后处理软件都由各个厂家提供，至今还没有通用的软件系统出现，后处理技术的研究很多，但大部分算法还停留在研究阶段，还没有公认的成熟算法。本文综述机载激光雷达系统的应用和典型的数据后处理技术。
2、机载激光雷达系统的应用
2.1灾害管理
利用机载激光雷达产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范围，制定灾难减轻方案以及补救措施。典型的一套机载激光雷达系统可以在4小时内用一架固定翼飞机完成长30km，宽10km区域的勘测。其垂直精度可达15cm，平均点距为1.5m，合计记录了153000000个反映详细地形和地物的数据点。
2.2油气勘测
石油及天然气工业的勘测程序常常需要在短时间内快速传送与地形数据X，Y，Z位置相关的数据。虽然有多种方法收集位置数据，但机载激光雷达测量是一种高速且不接触地面的数据获取方法，大多数情况下，从勘测开始到最终数据发送只需要几周的时间。在一些复杂的环境地区勘测，砍伐树木的费用就要几千美元一公顷。如用机载激光雷达进行勘测，最多只需伐几行树，这样可以节省大量的经费且减少对环境的影响。
2.3工程建筑测量
机载激光雷达测量能够为道路工程及其他建筑项目提供准确的高程数据。机载激光雷达生成的DEM结合GIS及CAD软件，可以使设计人员模拟各种方案以选出最佳路线或最好位置。对于施工前的原始预测，DEM结合正射影像可以为工程设计人员提供他们所需的大量地形和测量信息。
2.4房地产开发与城区规划
机载激光雷达测量为房地产开发业提供了一种少量人员参与，可以在城区、郊区和农村快速高效的获取准确地形和高程数据的方法。通常开发人员需要用精度在15cm以内的DEM进行设计，结合高分辨率的数字正射映像，机载激光雷达数据完全能够满足设计人员的要求。
2.5电力传输线或管道走向制图
工作于直升机平台上的LIDAR系统最适合进行传输线路的测量。因为直升机可以沿电力线或管道传输走廊飞行，它比固定翼飞机节省大量的经费，同时直升机还可以按需要调整飞机速度与高度以获取更严格的数据。如同时在直升机平台上配有数字相机、录像机或其他传感设备，则可在进行激光雷达测量的同时，进行制图与线路检查等工作。
2.6海岸制图
传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海滩及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。动态传感技术如机载激光雷达制图正好解决了以上问题，并可用于对海岸带、沙滩、堤防、岸边树林的监测，以及模拟风暴中的波浪起伏或海平面的上升。
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2.7森林
机载激光雷达系统的最早商业应用领域之一即为森林工业，森林业者和国土管理者需要森林及树冠下面地形的准确数据。在传统技术下，树高与树的密度是很难获取的信息。机载激光雷达与雷达或卫星成像不同，它在勘测树冠下地形的同时，还可以测量树的高度。在数据后处理中，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，由此可计算出许多与林业有关的信息，如树高、树冠覆盖、材质和生态环境等，这些正是常用摄影测量或地面测量技术所不能得到的信息。
2.8城区模型
在电信、无线通讯、法律实施和灾难管理等众多领域中都需要准确的城区数字模型，在适当的工作参数下，机载激光雷达可以提供精确无阴影的城区环境地图。从机载激光雷达数据中提取的详细地面高程模型还可以应用于特殊的3维显示软件。
3、机载激光雷达数据的后处理技术
机载激光雷达数据的后处理，包括通用和专用数据处理方法的设计和开发。通用的数据处理就是在多个应用领域都用到的方法，如DEM数据的提取，专用数据处理方法就是领域特别需要的方法，如森林蓄积量的估计等。
3.1DTM、DEM提取
机载激光雷达可以直接获取到相当密集的地面点3维坐标数据，并且激光具有一定的穿透能力，可以获取到植被覆盖区域的地面点3维坐标数据，特别是点位精度较高，高程精度甚至可达0.15m左右，是目前最为理想的DTM、DEM生产的数据源，利用机载激光雷达获取DTM、DEM数据是机载激光雷达数据最为直接的应用。
3.2房屋模型提取
数字城市建设对房屋3维建模提出了更高的要求。传统的房屋建模主要采用航空航天立体影像来获取房屋的3维数据，通过在数字摄影测量系统上进行立体量测来实现（张祖勋，张剑清，2003）。这种方式费时、费力，且由于从航片的拍摄到最终进行立体量测的周期比较长，这样就影响了成果的现势性。另外，不论是采用航空还是航天影像，通过其获取的点位精度往往都比较低，尤其是高程精度，这样最终影响了房屋建模的精度。对于房屋屋顶表面有遮挡的情形，作业员基本上只能依靠估计来进行立体量测，其精度较差。机载激光雷达系统能够迅速提供非常密集的地面点3维坐标数据，其地面点高程精度可达0.15m左右。另外，由于激光具有一定的穿透能力，即使对于房屋屋顶有植被遮挡的情形，也能够获取到房屋屋顶表面的数据，因此许多学者展开了应用机载激光雷达数据进行房屋模型提取和房屋3维建模的研究。
3.3道路网提取
对于人类生活的基本需求，我们常常将其归结为 衣、食、住、行 4个方面。而道路网信息作为与 行 紧密相关的信息，自然就被我们所关注。在以机载激光雷达数据作为道路网信息提取的数据源之前，通常采用航空影像或者卫星影像作为数据源，通过假定相对简单的道路模型，再加入一定的先验知识，从而实现道路网信息的提取。与航空影像和卫星影像相比，由于机载激光雷达数据既能够提供地球表面的反射信息数据（回波强度数据），同时又能够提供地面点的3维坐标数据，尤其是数据源不受地面阴影以及遮挡的影响，因此利用其进行道路网信息的提取也就顺理成章了。
3.4森林参数的估计
快速获取森林的相关参数对于森林采伐和蓄养方案具有重要意义，这些参数包括冠层高度、冠幅、林下地形、截面的垂直分布、胸高断面积、平均胸径、冠层体积、地上生物量、大树的株数密度、郁闭、叶面积指数等。在林业发达的加拿大、挪威、芬兰等国家的科研人员，很早就开始利用机载激光雷达技术来获取森林参数，他们利用直接测量、点云分割、波形分解、生长模型估计等进行测定。
4、结语
机载激光雷达技术作为一种新兴的航空遥感技术，集GPS技术、INS技术以及激光扫描技术和计算机技术于一体，虽然目前其数据处理软件的研发相对滞后于系统硬件的发展，现有的算法几乎都有其局限性，在一定程度上限制了它的应用。但是随着数据处理算法的逐步发展，机载激光雷达技术必将成为未来航空遥感领域的主流技术。
参考文献：
[1]赖旭东.机载激光雷达基础原理与应用[M].电子工业出版社，2010.
[2]潘东峰.激光雷达技术的发展现状及潜力[J].城市建设理论研究：电子版，2011，（16）.
论文作者:潘波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：激光论文; 数据论文; 测量论文; 技术论文; 精度论文; 地形论文; 道路网论文; 《基层建设》2019年第25期论文;