機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在各個(gè)方面迅速發(fā)展,相對(duì)于其它航空遙感技術(shù),機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)是航空遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。但目前機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、三維城市建模和林業(yè)應(yīng)用、鐵路、電力等。LiDAR 技術(shù)的研究和應(yīng)用飛速發(fā)展,國(guó)外陸續(xù)研發(fā)并生產(chǎn)出商用LiDAR 系統(tǒng)占領(lǐng)了大量市場(chǎng)。常見的商業(yè)激光雷達(dá)系統(tǒng)主要有Leica公司的ALS80-HA 系統(tǒng)、Optech 公司的ALTMS 系統(tǒng)、Saab 公司的TopEye 系統(tǒng)、Riegl 公司的LMS-Q 系列系統(tǒng)等。我國(guó)近年來LiDAR 事業(yè)發(fā)展也較快,能生產(chǎn)一些實(shí)用性的LiDAR 設(shè)備,LiDAR 技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用也不斷拓展和深入。
激光雷達(dá)技術(shù)作為一種新興的測(cè)繪探測(cè)技術(shù),和其他測(cè)繪探測(cè)技術(shù)手段相比,具有一定優(yōu)勢(shì)。
測(cè)繪探測(cè)技術(shù)手段總體來說可以分為兩大類:主動(dòng)式和被動(dòng)式。被動(dòng)式測(cè)繪探測(cè)技術(shù)獲取的信息來自于目標(biāo)反射的電磁波信息(如太陽(yáng)光)或者目標(biāo)自身輻射的電磁波信息,此類型的測(cè)量技術(shù)手段受天氣、光照等自然條件的影響和制約。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)屬于主動(dòng)式探測(cè)手段,通過主動(dòng)發(fā)射激光脈沖,獲取探測(cè)目標(biāo)反射回來的信號(hào)并處理得到地表目標(biāo)的空間信息。因此,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)有不受天氣、光照等條件制約的優(yōu)勢(shì)。例如在汶川地震中,機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)就在惡劣復(fù)雜的環(huán)境中獲取了高精度的地面空間信息。
機(jī)載激光雷達(dá)掃描樣式
機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)通過飛行器的飛行和激光脈沖的掃描完成探測(cè)工作,能在短時(shí)間內(nèi)獲取大區(qū)域、大范圍的地表空間信息,工作效率較高。和傳統(tǒng)的人工測(cè)量的技術(shù)手段相比,極大地減少了工作量,縮短了外業(yè)測(cè)量的時(shí)間,提高了探測(cè)工作的效率。利用無人機(jī)等飛行器進(jìn)行探測(cè),可以對(duì)很多較為危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行探測(cè),使得作業(yè)的安全性得以保障。這些優(yōu)勢(shì)在電力巡線中有很好的應(yīng)用。
在對(duì)森林等區(qū)域進(jìn)行探測(cè)時(shí),存在著樹木等植被的枝葉遮擋的情況,這對(duì)探測(cè)的結(jié)果會(huì)有較大的影響。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)射的激光脈沖信號(hào)對(duì)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(qū)的真實(shí)地形數(shù)據(jù)。
探測(cè)技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)的精度,是評(píng)價(jià)該技術(shù)的重要方面和指標(biāo)。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能快速獲取大范圍區(qū)域的地面目標(biāo)的空間坐標(biāo),獲取的坐標(biāo)具有較高的精度,保證了數(shù)據(jù)的可用性。在 1 km 的飛行高度下,機(jī)載 LiDAR 所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度可以達(dá)到15~20 cm,平面精度可以達(dá)到 30~100 cm。
機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)不僅能夠解算地面目標(biāo)的三維空間坐標(biāo),同時(shí)可以記錄地面目標(biāo)的強(qiáng)度信息,部分LiDAR系統(tǒng)還能夠記錄回波次數(shù)信息。豐富的信息為L(zhǎng)iDAR數(shù)據(jù)的使用提供了更多的可能性。強(qiáng)度信息和地面目標(biāo)的反射率密切相關(guān),不同物體具有不同的反射特性,將強(qiáng)度信息和三維坐標(biāo)信息結(jié)合使用,可以用于對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和分類。回波次數(shù)信息同樣也可以作為一種輔助信息來使用。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)能夠提供豐富的信息,這也是LiDAR 技術(shù)的一大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。部分學(xué)者綜合使用LiDAR 設(shè)備采集的多種信息,取得了很好的效果。不同測(cè)繪探測(cè)技術(shù)的性能對(duì)比如表1。
表1 各種探測(cè)技術(shù)的對(duì)比[14]
激光雷達(dá)技術(shù)也存在著一定的不足,主要包括以下幾個(gè)方面:
雖然LiDAR 技術(shù)能夠獲取大量的采樣數(shù)據(jù),但其數(shù)據(jù)采集具有一定的盲目性,發(fā)射的激光點(diǎn)束不一定會(huì)打在關(guān)鍵的地形點(diǎn)上,可能導(dǎo)致關(guān)鍵地形點(diǎn)信息的缺失。而且,當(dāng)發(fā)射的激光點(diǎn)束打在飛鳥、行人或者深井上,會(huì)造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)出現(xiàn)粗差,因此在使用點(diǎn)云數(shù)據(jù)前,必須要進(jìn)行粗差的探測(cè)與剔除。
機(jī)載激光雷達(dá)是一種集成的設(shè)備,包含諸多先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備,如果沒有相應(yīng)的技術(shù)能力,將無法合理操作。
目前機(jī)載激光雷達(dá)的產(chǎn)品比較單一,沒有充分發(fā)揮LiDAR 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),在具體的行業(yè)應(yīng)用中,經(jīng)常需要專門設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品類型、指標(biāo)和流程,程序比較繁瑣,且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。
LiDAR 技術(shù)是新興的測(cè)繪技術(shù),未來仍有很大的發(fā)展?jié)摿ΑC(jī)載LiDAR 技術(shù)會(huì)朝著獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)多樣數(shù)據(jù)產(chǎn)品方向發(fā)展,主要體現(xiàn)在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大方面。
硬件方面,當(dāng)前的機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的硬件設(shè)備型號(hào)多樣,不同廠商提供了豐富多樣的LiDAR 硬件系統(tǒng)。LiDAR 系統(tǒng)的軟件發(fā)展主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)獲取方面。為滿足生產(chǎn)實(shí)際的需求,機(jī)載LiDAR 硬件系統(tǒng)需要往多平臺(tái)、多型號(hào)、多傳感器、多波束的方向發(fā)展。
1)機(jī)載LiDAR 硬件系統(tǒng)的平臺(tái)趨于多樣化,比如無人機(jī)搭載的LiDAR 系統(tǒng)就受到很多單位和研究人員的關(guān)注。
2)單一型號(hào)的硬件系統(tǒng)很難滿足實(shí)際的探測(cè)需求,適應(yīng)不同探測(cè)條件的多型號(hào)LiDAR 系統(tǒng)正逐步發(fā)展起來。
3)多傳感器的LiDAR 系統(tǒng)具有更優(yōu)的探測(cè)能力。
4)傳統(tǒng)的LiDAR 系統(tǒng)主要針對(duì)陸地地表信息采集所用,其波長(zhǎng)位于近紅外附近。隨著用戶實(shí)際需求的不斷擴(kuò)大,機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)不僅能夠探測(cè)陸地地表信息,還應(yīng)該能夠滿足對(duì)非陸地,比如水域等的探測(cè)需求。探測(cè)不同類型區(qū)域目標(biāo)應(yīng)采用合適的探測(cè)波段,因此機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)會(huì)朝著多波束方向發(fā)展[16]。
軟件方面,當(dāng)前的機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的處理軟件也比較多,但相對(duì)于硬件系統(tǒng)而言是落后的。機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)的軟件主要用于處理LiDAR 數(shù)據(jù),并生產(chǎn)多類型的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。就此而言,LiDAR 系統(tǒng)的軟件發(fā)展主要體現(xiàn)在以下兩方面:
LiDAR 系統(tǒng)具有全天時(shí)的數(shù)據(jù)獲取能力,而且效率高、速度快。面對(duì)不同LiDAR 系統(tǒng)獲取的多時(shí)相、多氣候條件下的海量數(shù)據(jù),軟件系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)該不斷提高其處理數(shù)據(jù)的速度,提高其處理不同類型數(shù)據(jù)的能力。
LiDAR 的軟件系統(tǒng)不僅要能夠快速高效地處理多類型數(shù)據(jù),還要根據(jù)實(shí)際的需求,生產(chǎn)出滿足應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)前的LiDAR 軟件系統(tǒng)能夠提供一些滿足實(shí)際需求的產(chǎn)品,但仍需要從理論和實(shí)踐中探究數(shù)據(jù)處理的算法,提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度。
機(jī)載LiDAR 技術(shù)目前已經(jīng)取得了很大的發(fā)展,在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種高效高精度的測(cè)繪探測(cè)技術(shù),機(jī)載LiDAR 技術(shù)會(huì)朝著獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)多樣數(shù)據(jù)產(chǎn)品方向發(fā)展,這對(duì)LiDAR 的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都有一定的要求。
機(jī)載激光雷達(dá)的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)
機(jī)載LiDAR 硬件的發(fā)展,出現(xiàn)了平臺(tái)多樣化、型號(hào)多樣化的特點(diǎn),能滿足大比例尺地圖測(cè)繪、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等不同測(cè)繪行業(yè)的各種需求;而軟件方面,數(shù)據(jù)處理速度的提升、數(shù)據(jù)處理量的增加、數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型的豐富,將為測(cè)繪行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
隨著機(jī)載LiDAR 技術(shù)獲取多源數(shù)據(jù)、處理多源數(shù)據(jù)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(gè)垂直結(jié)構(gòu)參數(shù)的特點(diǎn),使得樹種識(shí)別得到了一定程度的提高,而森林樹種的精細(xì)識(shí)別是森林碳儲(chǔ)量估算、森林生物多樣性等研究的基礎(chǔ),因此,機(jī)載LiDAR 的發(fā)展對(duì)于我國(guó)林業(yè)的發(fā)展也有質(zhì)的提升[18]。
機(jī)載LiDAR 數(shù)據(jù)產(chǎn)品豐富、自動(dòng)化程度高、獲取數(shù)據(jù)精度高、生產(chǎn)周期短等優(yōu)勢(shì),在水利樞紐工程中得到了較好的應(yīng)用,可減小外業(yè)調(diào)查的工作量,提高工作效率、降低生產(chǎn)成品;無人機(jī)機(jī)載LiDAR 系統(tǒng)更可在防汛抗旱、搶險(xiǎn)救災(zāi)、水土保持監(jiān)管、河道監(jiān)管、凍土監(jiān)測(cè)、山洪災(zāi)害調(diào)查、水溫分析等水利行業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,具有較好的應(yīng)用前景。
飛燕空遙感擁有兩臺(tái)機(jī)載激光雷達(dá)(RIEGL VQ-1560i 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng))應(yīng)用于高密度點(diǎn)云測(cè)圖及超大面積測(cè)繪的全波形數(shù)字化雙激光發(fā)射器機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)。
機(jī)載LiDAR可快速獲取高精度、高密度的地表三維坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是一系列空間分布不均勻的離散點(diǎn)云數(shù)據(jù),如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),現(xiàn)有濾波算法大多都是基于...
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