耿會東+呂德奎+陶偉東

摘 要：LIDAR作為一種獲取高分辨率地球空間信息的嶄新技術手段，具有數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、天氣影響小、自動化程度高等特點。探討了DEM、DOM制作和點云處理，闡述了LIDAR技術的數(shù)據(jù)處理過程及其在城市建設管理、軍事探測等領域的應用現(xiàn)狀，并對其應用前景進行了預測和展望。

關鍵詞關鍵詞：LIDAR；慣導技術；DEM；DOM；點云；數(shù)據(jù)處理

DOIDOI：10.11907/rjdk.161516

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2016）008-0162-03

0 引言

目前，計算機信息及其它高新技術被廣泛應用，數(shù)字立體攝影測量已經(jīng)成熟，相應的軟件和數(shù)字立體測量工作站在生產(chǎn)部門逐漸普及，但是攝影測量工作目前存在生產(chǎn)模式周期過長的弊端，不能滿足信息化社會及“數(shù)字地球”對測繪的要求。

LIDAR（Light Detection and Ranging）技術[1]是近幾十年來攝影測量領域最具革新性的技術之一。LIDAR即光探測與測距，根據(jù)載體不同，可分為機載和地面激光雷達兩種模式，原理是通過激光打在物體上的返回信號進行三維坐標的測量，應用GPS（Global Position System）、慣導（IMU，Inertial Measurement Unit）裝置測定飛機的飛行姿態(tài)、空間位置、時間，生成LIDAR數(shù)據(jù)。LIDAR技術是GPS、慣性導航、激光測距等技術的集成應用。

LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過某些軟件（TerraSolid、 LID_MAS）的數(shù)據(jù)處理后，可生成具有高精度的帶狀地形斷面圖、數(shù)字地面模型、高壓輸電線路三維圖（包括鐵塔位置、懸垂線、環(huán)境地形）、等高線圖、房屋三維立體模型、正射影像圖（航空飛行時要配備數(shù)字相機）等，可應用于道路設計與擴建、輸電線路設計與管理維護、三維建模、洪水等災害防治、農(nóng)業(yè)監(jiān)控研究等領域。

目前歐美發(fā)達國家中，在高效率空間數(shù)據(jù)信息獲取方面，該技術已成為當下研究熱點，其應用領域囊括了經(jīng)濟建設、軍事、林業(yè)等多個方面。而我國關于該技術的研究及應用仍處于起步階段，因此其數(shù)據(jù)處理方法及應用還具有很大潛力。

截至2003年1月1日，全世界LIDAR系統(tǒng)分布情況為：北美洲43套、歐洲29套、南美洲5套、亞洲8套、非洲1套。在美國、日本、歐洲應用有10年的歷史，在中國沒有機載高精度的硬件設備，也沒有中國本土高精度的數(shù)據(jù)，只是在大氣污染研究方面中科院有相關報道。2005年4月，北京星天地信息技術有限公司準備由加拿大進口引進中國第一臺機載激光掃描儀及與之配套的GPS和慣性導航設備，總價150萬美元（此價格是估計值），激光掃描儀信號脈沖頻率為10萬HZ，其中GPS的定位精度可以達到10cm，在美國和歐洲的試驗和生產(chǎn)證明激光點的高程精度可以控制在15cm以內(nèi)。LIDAR設備外觀如圖1所示。

1 LIDAR系統(tǒng)概述

機載LIDAR系統(tǒng)主要包括：①激光測距系統(tǒng)，用于測量發(fā)射點與地面障礙物間的距離；②姿態(tài)測量裝置（IMU），用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；③動態(tài)差分全球定位系統(tǒng)（DGPS），用于確定掃描投影中心的空間位置；④一套成像裝置，用于獲取對應地面的彩色數(shù)碼影像，最終用來制作正射影像[2]。

機載LIDAR的特點如下：①數(shù)據(jù)精度高。利用高精密的傳感工藝自動采集目標的表面與立體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)高精度定位系統(tǒng)獲得較高的定位精度；②數(shù)據(jù)密度高。地表激光點的采集間隔可根據(jù)具體的工程需要來調(diào)節(jié)，使得LIDAR數(shù)據(jù)可達到很高的密度；③時效性強。LIDAR的作業(yè)周期遠小于傳統(tǒng)攝影測量方式，其實用性更強；④主動測量?？梢蕴幚韨鹘y(tǒng)測量方法無法或很難進入的危險地區(qū)，并且仍能獲取較高精度的數(shù)據(jù)。

2 LIDAR數(shù)據(jù)處理

LIDAR數(shù)據(jù)一般以二進制的形式存儲，有三維坐標和強度信息。數(shù)據(jù)處理時是以三維的形式交互顯示，這與全數(shù)字數(shù)據(jù)采集、航空攝影測量的數(shù)據(jù)處理方式不同，是一種全新的數(shù)據(jù)處理方式，但對作業(yè)員的要求不高。LIDAR數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量巨大，例如：2.79km2有700多萬三維點，裸地的地面點間隔約0.7m，有樹遮擋地面點間隔約1.4m，這樣的點密度是目前其它獲取手段所不能達到的，尤其在有大喬木遮蓋的林區(qū)更具有優(yōu)勢。另外，高精度的LIDAR數(shù)據(jù)采集方式，可以直接采集電力輸電線的數(shù)據(jù)，可以直接生成高壓輸電線的懸鏈線空間三維圖，美國多用于對電力線的維護工作。

關于LIDAR技術國內(nèi)外一直在研究，直到精度能達到一定的水平才真正有它的使用價值。質(zhì)量較好的1∶500 DLG圖中誤差在實地0.5m以內(nèi)；GPS的RTK技術可以實現(xiàn)快速單點厘米級的定位精度；全數(shù)字攝影測量一般可以實現(xiàn)20cm矢量圖形的測繪工作；而目前的LIDAR技術可以實現(xiàn)只有極少控制點的大面積測量，精度可以達到實地15cm，可以直接獲取真三維的地球表面信息。

機載LIDAR數(shù)據(jù)處理的一般流程包括：①航飛采集激光掃描數(shù)據(jù)以及數(shù)碼影像和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，即確定航跡；②激光掃描測量數(shù)據(jù)處理，得到點云數(shù)據(jù)；③對數(shù)據(jù)進行檢驗并分類處理，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換、激光點濾波后，建立DEM，④進行DOM制作。本文主要對點云數(shù)據(jù)特點[3-4]、DEM[5-7]建立及DOM[8]制作進行詳細闡述。

2.1 點云數(shù)據(jù)特點

三維激光掃描儀在很早之前就在醫(yī)學、文物保護、機械制造等領域廣泛應用，數(shù)據(jù)處理使用的主要是點云處理技術。由于LIDAR技術獲取的數(shù)據(jù)有范圍大的特點，應用點云技術處理數(shù)據(jù)與其它領域應用有所不同。用LIDAR技術獲取的數(shù)據(jù)有3種點云：①地表上的人工對象：主要有建筑物、電力設施等；②植被：主要有大的喬木和低矮灌木；③地表。

（1）地表。可以生成三維地表模型，有如下3個特點：①有高精度、高密度的地表特征點，超越目前任何其它生成手段；②可以直接建模，具有任意精度，靈活多變；③可輸出文本，作為其它數(shù)據(jù)的基礎，具有開放性。

（2）建筑物（房屋）?？梢宰詣由煞课莸捻敳磕Ｐ秃图y理，生成粗三維模型。具體如圖2所示。

（3）高壓輸電線。對于高壓輸電線，利用LIDAR技術獲得的數(shù)據(jù)很有特點，是目前其它設備難以獲得的。LIDAR數(shù)據(jù)可以表現(xiàn)出鐵塔的外形輪廓，能夠繪出鐵塔的位置和高壓線的懸垂線。在美國的生產(chǎn)實踐證明，高壓輸電線在夏天和荷載增加時，高壓線與地面距離會變近，這不利于電線的安全。筆者認為，用LIDAR技術維護高壓輸電線路的日常管理，能夠提高效率，節(jié)省費用。這也說明，在這一領域，LIDAR技術存在巨大的市場。

（4）高速公路。我國高速公路建設速度很快，在道路設計中LIDAR技術可以發(fā)揮作用。因為LIDAR技術可以生成很密的三維數(shù)據(jù)點，可以用來計算土石方量、破壞樹木植被量，并能清楚地摸清道路兩旁的環(huán)境。對于修路，在起伏比較大的地方較能顯示出LIDAR技術的優(yōu)勢，因為這樣的成本相對較低。

（5）植被。LIDAR技術獲得的數(shù)據(jù)中，有4次回波，第一次回波是房屋頂部、樹木頂部，第二次和第三次回波多半是樹干和枝葉，第四次回波是地表?？梢岳眠@4次回波的信息，測量出樹冠大小，進而估算木材產(chǎn)量。在美國，也有人用LIDAR數(shù)據(jù)制作作森林的防火模型。

2.2 DEM建立

作為4D產(chǎn)品之一，DEM制作方法如下：①利用航空相片，使用全數(shù)字攝影測量的方法制作，優(yōu)點是直觀、速度較快，缺點是精度較差、有死角；②利用高程點和等高線等矢量地圖，通過軟件自動生成，優(yōu)點是速度很快，缺點是受數(shù)據(jù)源精度的嚴重影響，往往需要人工干預和再處理；③利用儀器設備到野外實地采集，優(yōu)點是精度很高，但效率低下，不適合大面積作業(yè)，只有在計算土方量時才使用；④利用LIDAR技術獲取離散點制作DEM。

LIDAR技術的優(yōu)點：面積大、速度快、精度高；缺點：單次任務啟動費用大，且需要有空中飛行許可。

（1）面積大。激光掃描儀以每秒10萬個點的速度向地面發(fā)送信號，飛機的航高不同，地面的掃描走廊也不同，一般幾十米到幾百米，圖3是行高在400m時，直升飛機的掃描走廊。圖4說明航向與飛行方向垂直，激光掃描儀的掃描軌跡以“之”字形前進。

（2）速度快。通常采用固定翼飛機和直升飛機進行LIDAR數(shù)據(jù)的飛行任務，其數(shù)據(jù)采集的速度與普通的航飛相當。但是，由于是主動式的遙感，不需要等天氣，甚至可以夜間飛行，因而相對于常規(guī)的航飛任務而言，可以大大提高飛行效率，一般幾百平方公里的任務，幾天就可以完成。數(shù)據(jù)的后期處理也非常迅速，在美國，一個熟練的作業(yè)員，每平方公里的數(shù)據(jù)處理只要1個星期。

（3）精度高。由于是直接對地面進行測量，只要不被正上空的物體遮擋，激光點都能直接打到地表，這樣激光點在地表的密度就非常大。特別是對于有樹木遮蓋的林區(qū)，由于樹蔭和樹葉，用全數(shù)字航測的立體影像方法很難切準地面或者根本不能看到地面，這種情況用LIDAR采集數(shù)據(jù)就特別有優(yōu)勢。前文提到，精度可以控制在15cm以內(nèi)，而且所有的點都可以參加構(gòu)成TIN。激光點密度圖和側(cè)視圖分別如圖5、圖6所示。圖5說明激光點密度非常大，本圖是裸露地面，平均每平方米有2.024個點。圖6是激光點的側(cè)視圖，不同顏色代表不同的返回波。

一次飛行的啟動費用為航空攝影測量的缺點，也正是該缺點，使得將來的空間數(shù)據(jù)采集向兩個極端發(fā)展：一是大范圍、高自動化的空中采集；二是小范圍、高精度的地面人工采集。在對城市的測量中，一般會兩種方式結(jié)合采用，以滿足宏觀和微觀的需要。

2.3 DOM制作

用LIDAR技術獲得空間三維離散點數(shù)據(jù)的同時，如果安裝了數(shù)碼相機，也能獲得數(shù)字影像，這種數(shù)字影像與DMC相機的影像在格式上完全相同，只是像幅較小。由于飛行時相機的快門與GPS的實時測量同時開啟，因而獲得影像的重疊度比較大，有的地方可以達到90%以上的四度重疊。常規(guī)航空攝影用的膠片，如果是1∶8 000的航片，0.021mm掃描，實地分辨率約為15cm，采用DMC數(shù)碼相機，同樣是1∶8 000，實地分辨率有7.2cm。由此可以看出，隨著航空攝影高度的降低和攝影比例尺的增大，獲得的影像圖的分辨率在不斷增加。對于伴隨LIDAR技術三維數(shù)據(jù)的影像，一般分辨率在10cm之內(nèi)。

用機載三維掃描儀的數(shù)據(jù)制作正射影像有以下幾個特點：①生成速度快，可以生成真正射。通?？梢宰詣踊虬胱詣舆x擇影像的連接點，然后全自動生成正射影像，通過人為引入建筑物的矢量數(shù)據(jù)，直接生成真正射，這對制作三維大場景十分重要；②分辨率高，5cm/象元。在用LIDAR技術獲取數(shù)據(jù)時，一般航飛的高度低于1 000m，這樣拍攝的影像分辨率很大，可以控制在10cm之內(nèi)，用分辨率為5cm的影像作三維場景的地表，基本上能夠滿足人們視覺上的需要；③絕對精度好。因為DEM的精度好，所以DOM的精度也隨之提高，在技術層面上，所采用的方法與現(xiàn)在流行的糾正算法相同；④影像拼接較差，色彩過渡不好。

這是自動制作DOM不可避免的缺點。雖然數(shù)據(jù)處理軟件可以自動校正色差、亮度，但如果測區(qū)過大，并不能達到令人滿意的效果。若是在城區(qū)，房屋影像的拼接也是一個問題。

3 LIDAR技術系統(tǒng)應用

LIDAR技術在國民經(jīng)濟建設中，如林業(yè)、水利電力設計、交通設計規(guī)劃、城市規(guī)劃以及軍事等各大領域可得到廣泛應用。

軍事應用上，機載LIDAR在戰(zhàn)場偵察、大氣探測、跟蹤及火控、水下探測、武器鑒定、指揮引導、障礙回避等多方面都可得到廣泛應用。

林業(yè)管理上，可根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)，分析森林植被的覆蓋率和覆蓋面積，掌握植被疏密程度、年長樹木及年幼樹木各自覆蓋率，估算出森林總占地面積、樹木均高及木材量。這對人們的伐木及植樹事業(yè)具有一定的科學指導性意義，且便于相關部門進行調(diào)控。

電力輸送上，可有效助力電網(wǎng)的布設與維護管理工作。在進行電力線路設計時，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。尤其是在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進行電力線搶修和維護時，根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)點和相應的地面裸露點的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣便于搶修和維護。

交通管線設計上，LIDAR技術為公路、鐵路設計提供了高精度的地面高程模型DEM，以方便線路設計和施工土方量的精確計算。同樣，其在進行通訊網(wǎng)絡、油管、氣管線路設計時具有重要的應用價值。

數(shù)字城市項目上，將高精度的LIDAR數(shù)字地面模型DEM 與GIS系統(tǒng)有機結(jié)合，可以建立并完善“數(shù)字城市”系統(tǒng)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時更新。

4 結(jié)語

LIDAR技術是數(shù)據(jù)獲取方法中的新數(shù)據(jù)源，是三維空間點，以點云的形式存在。利用空中飛行器，可以方便地獲取LIDAR數(shù)據(jù)，這將改變測繪某些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)處理方法，也會影響基礎空間數(shù)據(jù)的相關應用領域，如DEM的應用、高壓輸電線路的設計與維護、帶狀地形的測量與施工、土方計算等。通過引進、消化和應用LIDAR技術，能夠進一步提高使用遙感方式采集的空間數(shù)據(jù)精度，推動空間數(shù)據(jù)處理方式和應用領域由二維轉(zhuǎn)化到三維，從而推進我國在測量領域的技術革命。本文僅對數(shù)據(jù)處理的3個基本方面作了初步探索，仍有很多數(shù)據(jù)處理算法、軟件等問題需進一步研究。

參考文獻：

[1]羅志清，張惠榮.機載LiDAR技術[J].國土資源信息化，2006（2）：20-25.

[2]陳松堯，程新文.機載LIDAR系統(tǒng)原理及應用綜述[J].測繪工程，2007（1）：27-31.

[3]王宗躍，馬洪超.基于LiDAR點云數(shù)據(jù)的水體輪廓線提取方法研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2010（4）：432-435.

[4]曾齊紅，毛建華.建筑物LiDAR點云的屋頂邊界提取[J].武漢大學學報：信息科學版，2009（4）：383-386.

[5]袁楓.一種從城區(qū)LiDAR數(shù)據(jù)提取DEM的方法[J].測繪通報，2010（2）：26-28.

[6]李必軍，方志祥，任娟.從激光掃描數(shù)據(jù)中進行建筑物特征提取研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2003（1）：65-70.

[7]曾安里，張建康，王國宏，等.軍用三維視景仿真引擎研究[J].指揮信息系統(tǒng)與技術，2010（5）：17-23.

[8]蔣寶東，王鐵軍.基于DOM和Lidar數(shù)據(jù)的地形圖要素快速更新方法探討[J].測繪與空間地理信息，2010（2）：101-103.

（責任編輯：孫 娟）