三维激光雷达在测量中的应用

　　1引言 
　　激光雷达技术最早源于二十世纪六十年代激光技术诞生之初的研究，但将其用于获取三维信息成像却是二十年之后，即从上个世纪八十年代开始着手研究并发展至今。在国内，激光雷达的硬件研究仍处于起步阶段，现有的技术还无法满足测量范围及精度要求。由于没有高精度的INS系统以及性能激光强度，激光功率，脉宽，测距精度可靠的激光测距装置，至今国内还没有成熟的激光雷达系统出现。但目前国内的研究工作者在相关领域方面的研究己经有了一定的成绩，北京遥感应用研究所李树楷教授研究的机载激光扫描测距成像系统原理样机于1996年完成，将激光测距仪与多光谱扫描成像仪集成于同一系统中，通过硬件实现了数字高程模型和遥感影像的精确匹配，直接获取地学编码影像。武汉大学李清泉教授研制开发了主要用于堆积测量地面激光扫描测量系统，天津大学叶声华教授所在的精密测试技术及仪器国家重点实验室也对激光雷达做了深入研究并取得了显著成果。 
　　2三维激光雷达测量原理 
　　三维激光雷达是以发射激光束探测目标的空间三维球坐标的雷达系统。采用相干测角、调频测距原理，向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的回波信号与发射信号进行比较吗，作出适当处理后可获得目标的球坐标。 
　　2.1空间点三坐标测量 
　　空间点三坐标激光雷达是基于球坐标进行测量，即通过激光调频测距获知空间点P的距离p，通过扫描头的方位俯仰两个轴上的圆光栅获知空间点方位和俯仰角度α和β，如图1所示，得到被测空间点P的三维坐标计算公式为 
　　（1） 
　　式中p为空间距离，采用调频相干测距方法测量。Θ为P与XY平面的夹角，α为P在XY平面的投影与X方向的夹角。三维激光雷达测得点的球坐标（p，α，Θ），通过（1）式坐标变换得到了在以激光雷达位置为原点的笛卡尔坐标系中的三维坐标（x，y，z）。 
　　2.2 扫描测量 
　　激光扫描测量是通过调整激光雷达扫描头的方位、俯仰运动来实现的。激光雷达测量时将激光扫描测量系统安装到支撑底座上，对待测物进行俯仰和方位的扫描并获得其点云数据，通过软件对点云的采集，预处理，插补，缝合，重构等步骤得到试件的实体模型。最后针对得到的实体模型进行解析，从而得到需要的测量参数，也可以直接针对处理后的点云数据进行操作。求得被测参量，激光扫描测量原理如图2所示。 
　　3 三维激光雷达技术的工作流程 
　　（1）有效获取原始飞行数据。三维雷达测距系统沿着线路走廊进行飞行，将输电线路空间的位置数据进行实时记录。原始飞行数据主要包括激光扫描数据，惯性导航系统数据，激光反射强度信息，回波数据以及原始数码影像。 
　　（2）航线重构。航线重构主要是拼接后期的航带，并提供有效的数据支持作用。同时利用 GPS联合差分解算，可以将飞机飞行轨迹进行有效确定，并保证着精确性。 
　　（3）消除激光数据系统中的误差和异常。在获取激光原始数据后进行处理时必须将激光数据系统中的误差和异常进行有效消除。 
　　（4）将激光点三维空间坐标进行有效计算。可以运用软件算法联合处理飞机GPS轨迹数据，激光测距数据等方面，然后可以计算出各个测点的三维坐标数据。 
　　（5）航带拼接。实施航带拼接可以增强线路重叠区域数据的精确性，提高接边地物的连贯性。 
　　（6）识别和拟合线路。在识别和拟合线路过程中，需要提取部分线路，这时可以利用软件滤波和分类算法方法，并可以有效连接空间线路上存在的缺失部分。 
　　（7）人工交互编辑。采用人工交互编辑！主要是为了消除自动算法中失效的激光点，同时也将没有正确分类的激光点以及没有正确滤掉的激光点进行消除。 
　　（8）测量线路和地面的距离。在测量线路和地面距离时可以使用人工交互编辑和自动算法也可以将预警结果显示出来。 
　　4 机载激光雷达系统的应用 
　　（1）测制带状目标地形图 
　　包括道路测量，道路规划和设计；输电线路，海岸侵蚀监测，海岸地带管理，交通运输，河道和水资源，交通管理，测绘铁路线路，光缆铺设，煤气管道，沟渠等。西南交通大学的梁策研究了基于LIDAR数据获取铁路纵横断面的方法，利用激光雷达数据获取Tin模型再从Tin模型中获取铁路截面，并开发了铁路纵横断面获取软件。 
　　（2）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）的灾后快速、及时、准确的评估和响应。美国宇航局戈达德航天飞行中心（GSFC）自1993年就利用机载激光雷达测量格陵兰冰原厚度。从1998年到1999年，又在同样的飞行路线上测量冰原厚度。利用两次测得的数据，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。中国水利水电科学研究院的何秉顺研究了三维激光扫描技术在堰塞湖地形快速测量中的应用，对汶川大地震造成的安县肖家桥、罐滩堰塞湖地形变化进行了测量和分析。 
　　（3）海岸地区测绘 
　　包括浅海水测量，海岸线测绘，海岸侵蚀的动态监测。美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统，使用了机载激光雷达系统，飞行高度为500――600m，直接进行测距与定位，最终得到浅海地形（或DEM）。比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光扫描水下地形测量系统，采用激光雷达技术实施远距离量测浅海深度并测绘海岸地带的地形，监测海岸侵蚀等。 
　　（4）森林资源调查 
　　激光雷达系统主要应用于利用机载激光雷达技术提取森林地区DEM和推求森林植被参数。机载激光雷达能同时获得树冠底部的地形信息及树高信息。通过数据后处理，可分析植被覆盖并对其加以分类，可计算树高、树种及其林木体积，可动态监测植物的生长情况，以及提取真实数字地面模型。中国测绘科学研究院的李英成提出了一种适用于森林地区LIDAR数据滤波的算法，能在中等复杂地形的林区有效剔除粗差点、确定树木点云、地面点云。 
　　（5）城市三维建模 
　　随着“数字城市”的发展，三维城市数据的自动采集是一个重要环节，除了数字摄影测量外，从激光雷达数据直接获取建筑物的三维信息变得越来越重要。美国普度大学Alharhty等人对具有两次反射距离的纯激光测距点提取建筑物进行了研究，通过渐进滤波方法进行建筑物三维信息的提取，提出了基于两次回波信息的渐进滤波提取建筑物。荷兰代夫特大学Vosselman等人根据点云和地平面信息来重建三维建筑物模型进行深入研究，采用三维Hough变换从不规则分布的点云中提取屋顶面的信息。 
　　5 结语 
　　利用三维激光雷达测量是一种高效率、高精度的新方法。它具有传统测量方法不可比拟的优越性。速度快，自动化程度高，劳动强度低，精度高。激光雷达扫描所获取的数据量大，数据点密度高，完全能够反映物体的表面特征，从而可以相当精确地计算体积，解决了常规测量方法所不易解决的表面近似误差等问题。