張卓彤+王婷

【摘要】隨著社會(huì)科技的發(fā)展，LIDAR激光技術(shù)廣泛應(yīng)用到各個(gè)方面。而車載激光雷達(dá)對(duì)比常規(guī)的技術(shù)具有快速測(cè)定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點(diǎn)，因此目前應(yīng)用比較廣泛。本文簡(jiǎn)要介紹了車載激光雷達(dá)目前的應(yīng)用以及發(fā)展的現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】車載激光雷達(dá) 應(yīng)用 現(xiàn)狀

車載激光雷達(dá)已經(jīng)在很多方面日趨成熟并應(yīng)用于各領(lǐng)域，且在實(shí)際運(yùn)用中取得了令人滿意的效果，作為典型的測(cè)繪新技術(shù)，正在逐步彰顯出它的作用。

一、車載激光雷達(dá)的基本信息

車載激光雷達(dá)又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)。近些年來，三維激光掃描儀已經(jīng)從固定朝移動(dòng)方向發(fā)展，最具代表性的就是車載三維激光掃描儀和機(jī)載三維激光雷達(dá)。車載激光雷達(dá)系統(tǒng)采用車載平臺(tái)，集激光雷達(dá)設(shè)備、RS系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)于一體，利用激光掃描和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，獲取道路兩側(cè)的高密集度的點(diǎn)云、近景影像數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀的系統(tǒng)傳感器部分集成在一個(gè)可穩(wěn)固連接在普通車頂行李架或定制部件的過渡板上。支架可以分別調(diào)整激光傳感器頭、數(shù)碼相機(jī)、IMU與 GPS天線的姿態(tài)或位置。高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)足以保證傳感器頭與導(dǎo)航設(shè)備間的相對(duì)姿態(tài)和位置關(guān)系穩(wěn)定不變。車載激光雷達(dá)彌補(bǔ)了機(jī)載激光雷達(dá)在地面地物信息獲取方面的局限，能在更多，更廣的范圍內(nèi)獲取三維空間數(shù)據(jù)。車載系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性就越發(fā)誘人，其應(yīng)用前景可謂無限。此外，作為航空測(cè)量的補(bǔ)充，車載激光雷達(dá)系統(tǒng)是完善三維城市模型等高精度、高分辨率應(yīng)用的最佳手段之一。

二、車載激光雷達(dá)的應(yīng)用

1.環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2001年，我國研制出中國第一臺(tái)用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的車載激光雷達(dá)系統(tǒng)。它利用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)是基于大氣對(duì)激光的散射、吸收、消光等物理過程，并通過定量分析激光大氣回波，來監(jiān)測(cè)大氣。由于激光雷達(dá)的高時(shí)空分辨能力， 以及具有連續(xù)、實(shí)時(shí)、大范圍監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，激光雷達(dá)大氣污染測(cè)量系統(tǒng)將越來越多地用于大氣污染環(huán)境的監(jiān)測(cè)和研究，它已成為大范圍快速監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段。2004年我國安徽光機(jī)所研制出車載式拉曼—米散射激光雷達(dá)、偏振—米散射激光雷達(dá)和多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)；這些激光雷達(dá)系統(tǒng)的相繼投入使用，為我國大氣氣溶膠、云和臭氧空間垂直分布的測(cè)量積累了豐富而寶貴的資料，引起了世界各國的普遍重視。

2004年由安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所承擔(dān)，由科技部、中國科學(xué)院共同資助成立了我國重點(diǎn)城市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，并基本實(shí)現(xiàn)了大氣等污染物地面定點(diǎn)連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)目研制開發(fā)完成的車載測(cè)污激光雷達(dá)系統(tǒng)，將成為城市大氣污染預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)和預(yù)警的關(guān)鍵設(shè)備之一，并直接用于北京等2008年奧運(yùn)會(huì)舉辦城市的環(huán)境監(jiān)測(cè)及研究工作，為奧運(yùn)建設(shè)及活動(dòng)進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)以及對(duì)突發(fā)環(huán)境事故進(jìn)行應(yīng)急監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)SO2、N02等污染物的水平范圍分布和垂直結(jié)構(gòu)快速監(jiān)測(cè)，特別是奧運(yùn)村及場(chǎng)館附近的03、顆粒物水平范圍分布和垂直結(jié)構(gòu)快速監(jiān)測(cè)。

2. 在道路方面的應(yīng)用

2.1車載激光雷達(dá)系統(tǒng)可以用于鐵路的復(fù)測(cè)

傳統(tǒng)的鐵路復(fù)測(cè)方法作業(yè)效率低、精度差、安全性不高。采用車載激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行鐵路復(fù)測(cè)是一種新技術(shù)，測(cè)量時(shí)將激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝于鐵路通勤車或軌檢車的車廂尾端，具有安全性好、作業(yè)效率高、能準(zhǔn)確直觀反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況的優(yōu)點(diǎn)。

2.2用于公路的測(cè)量、維護(hù)、勘察等工作

目前國內(nèi)在公路勘測(cè)方面機(jī)載激光應(yīng)用較多，其服務(wù)范圍基本上涵蓋了中國的大部分地區(qū)，也涵蓋了公路勘測(cè)的各個(gè)階段：工可研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)、改擴(kuò)建等。2011年我國在平均海拔4000m的西藏那曲地區(qū)，將車載激光掃描技術(shù)應(yīng)用到G317線改擴(kuò)建項(xiàng)目中。車載激光雷達(dá)技術(shù)在公路拓寬勘察設(shè)計(jì)中主要用于數(shù)據(jù)采集，包括獲取地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，構(gòu)建高精度的數(shù)字地面模型（DTM），從中提取路線縱、橫斷面數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)物空間三維坐標(biāo)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和公路網(wǎng)絡(luò)化的形成，公路改擴(kuò)建項(xiàng)目開始漸增。使用車載激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行拓寬勘測(cè)工作，不僅降低外業(yè)測(cè)量工作量，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，還提高了作業(yè)效率，有著常規(guī)測(cè)量技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。但它也存在一些局限。

3.在地理人文方面的應(yīng)用

車載激光雷達(dá)技術(shù)能夠應(yīng)用于文物保護(hù)方面。我國大多數(shù)文物的形狀都獨(dú)具一格，結(jié)構(gòu)繁瑣，色彩層次較多，若以經(jīng)典測(cè)量方法施測(cè)需要建立較多測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)文物造成損害，應(yīng)盡量少取測(cè)量點(diǎn)。因此在這種情況下，如果單純地應(yīng)用普通測(cè)量方法獲取文物的立體圖像就根本無法實(shí)現(xiàn)，因而要應(yīng)用主動(dòng)的測(cè)量手段。利用車載激光雷達(dá)技術(shù)，可以利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確反映文物內(nèi)部機(jī)構(gòu)組成。此外，通過系統(tǒng)內(nèi)建立的三維模型，如果文物遭受損害后能夠快速恢復(fù)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

三、車載激光雷達(dá)的現(xiàn)狀

車載激光雷達(dá)目前在國際上和國內(nèi)都有了很多應(yīng)用，發(fā)展前景很被看好。但與航空雷達(dá)類似，其核心的IMU依然依靠進(jìn)口，嚴(yán)重制約了國內(nèi)應(yīng)用的發(fā)展。國際一流LIDAR廠商在華代理主要包括：RIEGL、Opthch等。車載激光雷達(dá)主要用于城市型數(shù)據(jù)采集，即道路、房屋建筑、海岸線、軌道等地物，通過集成IMU及GPS，可以實(shí)時(shí)移動(dòng)獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過經(jīng)標(biāo)定的高速攝像機(jī)獲取對(duì)應(yīng)影像用于后續(xù)貼紋理等處理。

國內(nèi)現(xiàn)有北京富斯德公司代理的Riegl VMX-250移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京德可達(dá)公司代理的StreetMapper移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的Landmark移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)等。這些移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)都是在汽車頂部安裝1-3個(gè)經(jīng)定標(biāo)的激光掃描儀，并集POS系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類高速攝影機(jī)。

2010年，我國在北京召開了“第一屆全國激光雷達(dá)對(duì)地觀測(cè)高級(jí)學(xué)術(shù)研討會(huì)”，指出了激光雷達(dá)的發(fā)展走向。國家十二五計(jì)劃中已經(jīng)將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個(gè)重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來國家將力主發(fā)展激光雷達(dá)及3S集成的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多平臺(tái)、多尺度應(yīng)用；而國際上，激光雷達(dá)的發(fā)展已經(jīng)步入了一個(gè)新的階段，即由地面、移動(dòng)車載、航空LIDAR向航天LIDAR轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報(bào)道，日本富士通研究所于2012年10月29日發(fā)布消息稱，已開發(fā)出了水平和垂直兩個(gè)方向的檢測(cè)角度均可達(dá)到140度的激光雷達(dá)。適用于檢測(cè)汽車后方的車輛等。

四、結(jié)束語

車載激光雷達(dá)由于具有快速測(cè)定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點(diǎn)，隨著汽車的發(fā)展，在測(cè)繪新技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動(dòng)下，車載激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實(shí)用性強(qiáng)、精確度高、數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢(shì)，必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景，因此，對(duì)其應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢(shì)的研討工作，可以為車載激光雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn)與完善打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。