激光雷達簡介

激光雷達，LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。

用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

自從1839年由Daguerre和Niepce拍攝第一張像片以來，利用像片制作像片平面圖(X、Y)技術(shù)一直沿用至今。到了1901年荷蘭人Fourcade發(fā)明了攝影測量的立體觀測技術(shù)，使得從二維像片可以獲取地面三維數(shù)據(jù)(X、Y、Z)成為可能。一百年以來，立體攝影測量仍然是獲取地面三維數(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù)，是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術(shù)。

激光雷達技術(shù)發(fā)展

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和計算機及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字立體攝影測量也逐漸發(fā)展和成熟起來，并且相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體攝影測量工作站已在生產(chǎn)部門普及。但是攝影測量的工作流程基本上沒有太大的變化，如航空攝影-攝影處理-地面測量(空中三角測量)-立體測量-制圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本沒有大的變化。這種生產(chǎn)模式的周期太長，以致于不適應(yīng)當前信息社會的需要，也不能滿足“數(shù)字地球”對測繪的要求。

LIDAR測繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)的發(fā)展，源自1970年，美國航天局（NASA）的研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)（Global PositioningSystem、GPS）及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialInertiNavigation System、INS）的發(fā)展，使精確的即時定位及姿態(tài)付諸實現(xiàn)。德國Stuttgart大學于1988到1993年間將激光掃描技術(shù)與即時定位定姿系統(tǒng)結(jié)合，形成空載激光掃描儀（Ackermann-19）。之后，空載激光掃瞄儀隨即發(fā)展相當快速，約從1995年開始商業(yè)化，目前已有10多家廠商生產(chǎn)空載激光掃瞄儀，可選擇的型號超過30種（Baltsavias-1999）。研發(fā)空載激光掃瞄儀的原始目的是觀測多重反射（multiple echoes）的觀測值，測出地表及樹頂?shù)母叨饶Ｐ�。由于其高度自動化及精確的觀測成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產(chǎn)工具。

激光雷達主要途徑

激光掃描方法不僅是軍內(nèi)獲取三維地理信息的主要途徑，而且通過該途徑獲取的數(shù)據(jù)成果也被廣泛應(yīng)用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、交通通訊、防震減災(zāi)及國家重點建設(shè)項目等方面，為國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和科學研究提供了極為重要的原始資料，并取得了顯著的經(jīng)濟效益，展示出良好的應(yīng)用前景。低機載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低及后處理成本的優(yōu)點。目前，廣大用戶急需低成本、高密集、快速度、高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)，機載LIDAR技術(shù)正好滿足這個需求，因而它成為各種測量應(yīng)用中深受歡迎的一個高新技術(shù)。

快速獲取高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)是機載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的前提，因此，開展機載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義。在這一背景下，國內(nèi)外學者對提高機載LIDAR數(shù)據(jù)精度做了大量研究。

由于飛行作業(yè)是激光雷達航測成圖的第一道工序，它為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供直接起算數(shù)據(jù)。按照測量誤差原理和制定“規(guī)范”的基本原則，都要求前一工序的成果所包含的誤差，對后一工序的影響應(yīng)為最小。因此，通過研究機載激光雷達作業(yè)流程，優(yōu)化設(shè)計作業(yè)方案來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，是非常有意義的。

激光雷達基本原理

LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。

激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個厘米，而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展，通過LIDAR從移動平臺上（如在飛機上）獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。