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1、LIDAR 的技术原理以及在测绘中的应用朱士才（江苏省测绘工程院 南京 210013）摘 要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导 航系统（INS）三种新技术于一身的系统，用于获得高精度、高密度 的三维坐标数据，并构建目标物的三维立体模型。该技术在基础测绘 DEM、 DOM、 DLG 生产、精密工程测量、数字城市建设等领域具有 广泛的应用前景，它代表了测绘技术又一个新时代的到来，。关键词：LIDAR数字高程模型测绘一、 LIDAR 的技术原理1、前言激光雷达技术是根据英文 Light Detection And Ranging 的翻译而命 名的专业术语，简称为LiDAR。该技
2、术可以实现空间三维坐标的同步、快速、精 确地获取，并根据实时摄影的数码像片，通过计算机重构来实现大型实体或场景 目标的 3D 数据模型，再现客观事物的实时的、真实的形态特性，为快速获取空 间信息提供了简单有效手段。因此被有些专家称为，继 GPS 以来在测绘领域的又 一个技术革命。根据载体的不同，LiDAR技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达 扫描技术两大类，目前这两类系统在国内外都得到了成功的运用。顾名思义，地面三维激光扫描系统的空间载体是地面，类似于传统的地面近 景摄影测量。它将激光扫描仪直接与数码相机、 GPS 相结合，对目标物进行扫描 成像，获取激光反射回波数据和目标表面影像，并
3、在软件支持下构建三维数字模 型和纹理的精确贴加，从而达到目标物快速、有效、精确的三维立体建模。经过 改装，地面三维激光扫描系统不但可以安置在固定设备上，也可以装载在运动的 汽车上，进行连续的三维场景和目标形态的空间数据采集。机载激光雷达系统则是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系 统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（Inertial Measurement Unit，惯性制 导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。测量数据通过特 定方程解算处理，生成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取提供精确 的数据源。与地面LiDAR技术相比，机载LiDAR更适合于大规模
4、、大范围的测绘 作业。2、LiDAR 的测量原理我们知道，与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特 点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离量测可大大提高了数 据采集的可靠性和抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，只 要不存在方向反射（包括镜面反射），总有一部分光会反射回去，成为回波信号， 被系统的接收器所接收，当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间为 2t 后，那么：激光器到反射物体的距离（d）=光速（c）X时间（t） /2在LIDAR系统中，结合GPS得到的激光器位置坐标信息，INS得到的激光方 向信息，就可以准确地计算出每一个激光点的大地
5、坐标X、Y、Z,大量的激光点 聚集成激光点云，组成点云图像。这就是机载激光雷达的测高原理。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，拿频率为每秒一 万次脉冲的系统来说，接收器将会在一分钟内记录六十万个点，数目相当可观。 很多 LADAR 系统还能记录同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在树冠的顶端， 其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，这 样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z坐标的点记录，并分层表示。利用这个特 点，我们可以通过分类和滤波处理，获取地面高程，以及树高及建筑物的高度等 信息。经过国内许多LIDAR应用项目得出，利用机载LADAR系统进行测高
6、作业，根 据不同的航高，其平面精度可以达到0.15 至1米，高程精度可达到10厘米至 30厘米，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合航 摄影像和空中数据定位而设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS 应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。二、 LIDAR 在测绘中的应用1、快速获取数字高程模型数字高程模型（DEM）传统的采集方法主要有；数字摄影测量方法、等高线 扫描矢量化和外业量测点建模等。这些方法耗时耗力，成图周期比较长，可靠性 和精确度不太高，很难精确反映地面细微的地形地貌。尤其对于江苏省这样一个 平原地区，DEM的成图指标要求比较加严格，平原地
7、区高程精度要优于0.7米。 通过常规技术手段进行大规模、高标准的DEM生产作业，难度很大，可靠性不高。而LIDAR技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据，该数据 直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理，把入射到植被、房屋、建 筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除，然后构建不规则三角网 TIN， 就可以快速提取DEM。由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率 的DEM也成为可能，因此它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法，其产品 精度甚至可以满足水利、地震、地质、交通等行业对高程的需求。2、基础测绘的实施除了数字高程模型，基础测绘的“4D”产品还包括数字
8、正射影像（DOM）、 数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。对于DOM和DLG两种产品，其生 产也不能缺乏高精度三维信息的支持。例如：DOM是在DEM提供精确的地形信息的前提下，进行数字微分纠正得到 的。如果没有可靠的DEM资料，传统生产DOM方法是通过数字摄影测量的方法实 现的。数字摄影测量作业工序繁琐，设备要求和技术路线非常严格，对生产人员 的技能要求比较高。而机载 LIDAR 技术提取的地面三维坐标,完全满足高精度影 像微分纠正的需要，使得DOM的生产变得相当容易，可以无需使用数字摄影测量 这种昂贵的专业平台，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。此外， 高精度的激光点
9、云数据还直观反映植被和地物的三维信息，利用这些资源， DLG 地形地物的判读和量测更加准确，数据的采集变得更加容易。3、精密工程测量很多精密工程测量，都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息，甚至需要 建立精确的三维物体模型，比如：电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降 测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载LIDAR就是解决这 种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加 构建三维模型，是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。例如：LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM,以方 便线路设计和施工土方量的精确计算。在
10、进行电力线路设计时，通过LIDAR的成 果数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，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，根据电力 线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距 离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。4、数字城市建设数字城市是 21 世纪以来，很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息 作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。LIDAR系统 可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城 市最宝贵的空间信息资源，因此是数字城市建设的重要技术力量。数字城市
11、还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的城市三维模型 作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术，进行城市三维建模是精雕细琢的 工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽 度和深度。利用LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫 描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进 行模型构建和纹理映射，很方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速 动态更新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障5、水下地形测量有些LIDAR系统，采用了两种不同波长的激光束还可以对水底进行测量。比 如， SHOALS 系统在采用红光（或红外光）测量水面的同时，用蓝绿光穿透水面 测量水底，通过这两个光束的接收时间差计算水的深度，因此可以进行大面积的 水下地形测量。通常情况下，海道测量LIDAR所能测量的海水深度为50米，此 一深度随水质清晰度的不同而变化，深为航道、近海海洋、水文等行业的人士所 推崇。
LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用
