机载脉冲激光雷达剖面测量技术分析

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1、垒坚垒墅量垒墼垡墼叁丝篁墼L江酉建挝勘塞皇型绘机载脉冲激光雷达剖面测量技术分析朱水强，刘新(中国建筑材料工业地质勘查中心江西总队，江西上饶334000)摘要：利用机载脉冲激光雷达快速获取地表地物高度数据和浅水水域深度数据是近几十年才逐步发展起来的一种先进的遥感测量技术，也是LiDAR技术在测绘领域的重要应用。作为一种先进的主动遥感测量技术，可以快速、大面积地直接获取地表地物、水下地貌等的三维信息，不易受到较迅速变化的气候条件及光照和云层的影响，分辨率高，具有机动性强、高效等优点。本文介绍了国外机载脉冲激光雷达剖面测量技术的发展历

2、史，国内该技术的状况，分析了机载脉冲激光雷达剖面测量技术的主要应用领域，对机载脉冲激光雷达剖面测量技术的未来发展趋势作了展望。关键词：LiDAR测量技术剖面测量1LiDAR测量技术的发展国外机载LiDAR剖面测量技术的研究大体上经历了以下4个发展阶段。第一阶段是20世纪60年代至70年代末期，是机载LiDAR剖面测量技术的探索阶段。1964年，Rempel等根据激光测距技术提出了用机载激光雷达测量微地貌的剖面测量方法，开创了激光雷达技术用于地表地物遥感测量的先河。美国NASA研制成功机载LiDAR水域深度测量系统ALB(Air．

3、borneLaserBathymeter)，于1971～1974年进行了试验。这一时期LiDAR研究以水域深度测量系统为主，称为第一代激光雷达。图1给出了美国NASA研制的典型激光雷达系统ALB的系统方框图。第一代激光雷达基本都以胶片和磁带作为记录介质，还没有高速数据记录功能和扫描测量功能，是一些简单地面高程或水域深度测量系统。图1ALB系统的方框图第二阶段是20世纪80年代，这一阶段是机载LiDAR剖面测量技术逐渐成熟的重要阶段。这一时期，澳大利亚开发了具有扫描、高速数据记录和GPS定位能力的水文勘测系统WRE—LADS。从8

4、0年代中期开始，研究人员将LiDAR地物高度测量技术用于热带雨林的冠层高度及林下地形测量。图2给出了第二代典型激光雷达系统WRELADS的原理图，这一阶段的u．DAR剖面测量系统普遍增加了扫描、GPS定位、高速数据记录等功能，使其在水域测量方面由简单的深度测量延伸到海底地貌的测绘，在地形地貌测量方面更是开拓了新的应用领域。·206·图2机载WRELADS系统的结构图第三阶段是20世纪90年代，是机载LiDAR剖面测量技术逐步实用化的阶段。第三代LiDAR剖面测量系统普遍采用差分GPS的方式改进了定位精度，并且增加了定高功能，系统

5、与自动导航仪连接，实现自动的航线和飞行高度控制，图3典型激光雷达系统SHOALS的系统方框图所示。图3系统方框图第四阶段是21世纪开始。这一阶段，LiDAR剖面测量技术开始向灵活、轻便、低费用的小型化方向发展，并与其他机载传感器相结合，改进了数据处理算法的性能，广泛开拓了新的应用领域。在海洋探测方面，机载LiDAR深度探测技术开始用于更新海底地貌绘图。在林业和地形测量方面，这一阶段成功获取了典型区域的冠层高度、树冠体积胸径等森林参数。近年来我国开始在一些国家级项目中列入LiDAR技术在陆地地形和林业应用方面的相关研究内容，例如国

6、家863项目，机载激光雷达数据处理软件平台中要求开展LiDAR技术的各项应用研究，积极推动着LiDAR应用技术整体水平的提高。而LiDAR剖面测量技术在其他滨海和陆地生态环境中的应用研究还没有广泛开展，LiDAR应用技术整体水平与国外相比还存在一定差距。2LiDAR剖面测量技术的应用机载LiDAR剖面测量系统能够高精度、快速、大范围地获取三维剖面数据，因此无论是陆地地形测量系统还是水域深度测量系统，都具有广泛的应用范围和发展前景。2．1铁路、高速公路的选线和煤气管线的线路监测机载LiDAR剖面测量系统可以对高速公路、铁路、输电线

7、路等的选线进行快速、高效、低成本的测量。例如铁路勘察设计中利用LiDAR数据自动沿线生成带状等高线图，获取横断面和纵断面数据，实现铁路选线三维建模。机载LiDAR剖面测量系统测量电力线通道时，可以执行线路的弯曲、下陷离地面距离、侵蚀和精确确定塔的位置等任务。2．2海岸工程及资源管理人类开发海洋的大部分活动集中在大陆架地区，如海岸带防护、港湾建设、滩涂养殖、海洋能源开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设海底电缆、管道以及设置各种区界等工程的实施均需要不同比例尺的海底地形图。由于声波在水中的高穿透性，使得声纳技术在近几十年发展迅速，在海

8、洋探测中具有举足轻重的地位。但其用于浅水水域测量时具有众多难以克服的缺点，而LiDAR深度测量技术恰可补充船载声纳海洋测深能力的不足，具有如下优点：测量精度和几何分辨率高。由于激光脉冲宽度可以达纳秒级，测量点密度可达声纳的300倍左右，因此测量精度更高，测量效率