機載激光雷達的應用現狀及發展趨勢
摘要：機載激光雷達是一種應用越來越廣泛的對地觀測系統，本文簡要介紹了機載LIDAR系統及其測量原理，並重點綜述了機載LIDAR的應用現狀最後對其發展趨勢進行了展望。
關鍵字 ：激光； 激光器 ； 激光技術 ；激光雷達
一、 機載LIDAR的技術原理
機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LIDAR）是將激光用於回波測距和定向，並通過位置、徑向速度計物體反射特性等信息來識別目標。它體現了特殊的發射、掃描、接收和信號處理技術。機載激光雷達技術起源於傳統的工程測量中的激光測距技術，是傳統雷達技術與現代激光技術結合的產物，是遙感測量領域的一門新興技術。
自20世紀60年代末世界第一部激光雷達誕生以來，機載激光雷達技術作爲一種重要的航空遙感技術，已經被越來越多的學者所關注。迄今爲止，機載激光雷達的研究與應用均取得了相當大的進展，雖然機載激光雷達無法完全取代傳統的航空攝影測量作業方式，但可以預見，在未來的航空遙感領域，機載激光雷達將成爲主流之一。進入90年代，機載激光雷達系統進入實用化階段，併成爲雷達遙感發展的重要方向之一。機載LIDAR系統是一款高速度、高性能、長距離的航空測量設備，該系統由激光測高儀、GPS定位裝置、IMU（慣性制導儀）和高分辨率數碼照相機組成，實習對目標的同步測量。測量數據通過特定方程解算處理，生成高密度激光點雲數值，爲地形信息的提取提供精確的數據源。其應用已超出傳統測量，遙感，以及近景測量所覆蓋的範圍，成爲一種獨特的數據獲取方式。
與普通光波相比，激光具有方向性好、單色性好、相干性好等特點，不易受大氣環境和太陽光線的影響。使用激光進行距離測量可大大提高了數據採集的可靠性抗干擾能力。當來自激光器的激光射到一個物體的表面時，只要不存在方向反射，總會有一部分光會反射回去，成爲回波信號，被系統的接收器所接收，當儀器計算出光由激光器射出返回到接收器的時間爲2t後，那麼，激光器到反射物體的距離d=光速c×t\2 。
在機載激光雷達系統中，利用慣性導航系統獲得飛行過程中的3個方位角（ψωκ），通過全球定位系統（GPS）獲取激光掃描儀中心座標（x y z），最後利用激光掃描儀獲取到激光掃描儀中心至地面點的距離D，由此可以計算出此刻地面上相應激光點（X Y Z）的空間座標。
假設三維空間中一點的座標已知，求出改點到地面上某一待定點P（XYZ）的向量，則P點的座標就可以由加得到。 其中點爲遙感器的投影中心，其座標可利用動態差分GPS求出，向量的模是由激光測距系統測定的機載激光測距儀的投影中心到地面激光腳點間的距離，姿態參數可以利用高精度姿態測量裝置（INS）進行測量獲得的。
利用機載LIDAR系統進行測高作業，根據不同的航高作業，根據不同的航高，其平面精度可以達到0.15至1米，高程精度可達10cm至30cm，地面分辨率甚至可達到釐米級。可以說，機載LIDAR系統是爲綜合航射影像和空中數據定位二設計的新技術手段，它能爲測繪工程、數字地圖和GIS應用快速提供精確的空間座標信息和三維模型信息。
二、機載LIDAR的應用現狀
機載LIDAR 一高精度、高分辨率、高自動化且高效率的優勢，已成爲世界各國進行大面積數值地表數據測制的重要主流與趨勢，其多重反射的特性，可同時獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維座標，而透水激光雷達系統更可穿透水體而量測水底的地形起伏。其獲取的高精度高分辨率DEM，可作爲土地利用、工程建設規劃、都市計劃管理，河海地形、潮間帶、集水區、山坡檢測，地理信息系統、防災、礦業、農業、林業、公共管理線等方面數值化、自動化等應用基礎。
1.數字城市應用
在數字化程度越來越高的今天，基於二維城市形象系統已經不能滿足形象時代的要求，將三維空間形象完整呈現已經成爲發展的必然，也是“數字地球”的要求。因此，對快速獲取三維空間數據，模擬和再現現實生活提出了更高的要求。LIDAR系統在城市中更能體現其不受航高、陰影遮擋等限制的優勢，能夠快速採集三維空間數據和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用於城市規劃的大比例尺地形圖獲取。
2.工程建築測量
機載激光雷達測量能夠爲道路工程及其他建築項目提供準確的高程數據。機載激光雷達生成的DEM結合GIS及CAD軟件，可以是設計人員模擬各種方案以選擇出最佳路線或最好位置。對於施工錢的原始預測，DEM結合正射影像可以爲工程設計人員提供他們所需的大量地形和測量信息。
3.電力設計勘測選線和線路監測應用。
在進行電力線路設計時，通過LIDAR數據可以瞭解整個線路設計區域內的地形和地物要素的情況。
4.災害監測與環境監測
利用機載LIDAR產生的DEM，水文學家可以預測洪水的範圍，制定災難減輕方案以及補救措施。典型的一套機載激光雷達系統可以在四小時內用一架固定翼飛機完成長30km區域的勘測。其垂直精度和達15cm，平均點距爲1.5m，合計記錄了153000000個反映詳細地形和地物的數據點。也廣泛應用於自然災害（如颶風、地震、洪水滑坡等）的災後評估和響應。
5.海岸工程
傳統的攝影測量技術有時不能用於反差小或無明顯特徵的地區，如海岸及海岸地區。另外海岸地區的動態環境也需要經常更新基準測量數據。機載LIDAR是一種主動傳感技術，能以低成本做高動態環境下常規基礎海岸線測量，且具有一定的水下探測能力，可測量近海水深70m內水下地形，可用於海岸帶、海邊沙丘、海邊提防和海岸森林的三維測量和動態監測。
6.林業應用
機載激光雷達系統的最早商業應用領域之一即爲森林工業，森林業者和國土管理者需要森林及樹冠下面的準確數據。在傳統技術下，樹高與樹的密度很難獲取的信息。在數據的後處理中，獨立的激光返回值可分爲植被返回值和地面返回值，根據LIDAR數據，分析森林樹木的覆蓋率和覆蓋面積，瞭解樹木的疏密程度，年長樹木的覆蓋面積和年幼樹木的覆蓋面積。通過LIDAR數據可以概算出森林佔地面積和樹木的平均高度，及木材量的多少，便於相關部門進行宏觀調控。
7.文化遺產保護
大型的文物古蹟和室外的不可以移動文物，需要測量其三維數據，以便進行修復和保護。對於出於惡劣測量環境下或不可直接觸摸的文物，LIDAR技術就成爲了一種直接獲取三維數據的很好的解決方案。
8.油氣勘探
石油及天然氣工業的勘測程序常常需要在短時間內快速傳送與地形數據XYZ爲準相關的數據。雖然有多種方法處理收集位置數據，但機載激光雷達測量是一種高速且不接觸地面的數據獲取方法，大多數情況下，從勘探開始到最終數據發送只需要幾周的時間。在一些複雜的環境地區勘測，砍伐樹木的費用要幾千美元一公頃。如用機載激光雷達進行勘測，最多只需要砍伐幾行樹，這樣可以節省大量的經費且減少對環境的影響。
三維激光雷達技術是實現空間三維座標和影像數據同步、快速、高精度獲取的國際領先看空間技術，在採集地表數據方面具有傳統航空攝影測量所無法比擬的巨大優勢，三維激光雷達技術是即GPS以來測繪領域的又一場技術革新，是高精度逆向三維建模及重構技術的革命，是進行大區域空間探測的利器，是數字中國及各行業數字化的必由之路，將對電網、水利、交通、規劃、國土、礦山、海洋、氣象、農業、林業、古蹟保護等各個領域產生深遠影響。
二、 機載LIDAR的發展趨勢
近幾年，隨着相關技術的不斷成熟，機載激光雷達技術得到了蓬勃發展，歐美等發達國家許多公司和科研機構投入了的大量的人力物力和財力進行相關技術和系統的研究，並先後研製出多種機載激光雷達系統，相繼投入商業運作。記載激光雷達在測繪市場所佔的份額不斷擴大，其應用的領域和深度也日益拓寬和加深。我國的學者也投入道路激光雷達技術的研究中，也有一些公司從國外引進了機載激光雷達設備用於商業運作。但總體而言，我國在機載激光雷達的硬件研製及理論研究和實踐應用方面都落後與發達國家，爲使這項高新技術能夠在我國的國民經濟建設中發揮其應有的作用，開展記載激光雷達技術的理論和應用研究具有非常重要的理論價值和現實意義。 雖然目前已有多種激光雷達系統在使用，但激光雷達仍是一項處在不斷發展中的高新技術，許多新體制激光雷達仍在研製或探索之中。在今後的一段時期內，激光雷達的研究工作將主要集中在不斷開發新的激光輻射源、多傳感器系統集成和不斷探索新的工作體制和用途方面。
- 開發新型激光輻射源
目前，在中遠距離應用中，波長爲1.06μm的Nd：YAG激光器和波長爲10.6μm的CO2激光器仍是激光雷達的主導輻射源。近年來隨着大功率半導體激光二極管技術的不斷完善，在近距離應用條件下半導體激光器的應用也日益廣泛。在未來若干年內，二極管泵浦的固體激光器技術和光參量振盪器技術將是新型激光源的關鍵技術。
利用光學參量振盪器可獲得寬帶可調諧、高相干的輻射光源，在激光測距、光電對抗光學信號處理等領域以顯示出廣泛的應用前景。光學參量振盪器的理論最早在1962年由Kroll提出，1965年美國貝爾實驗室首先在脈衝激光器上實現光學參量震盪，國際上在70年代建立了完善的參量互作用理論，並在80年代後，隨着一些性能優良的非線性晶體的出現，使得OPO技術的研究取得重大突破，OPO技術進入了實用階段。近年來，隨着二極管泵浦的固體激光技術的發展，全固化寬調諧OPO技術得以迅速發展，它具有高效率、長壽命、結構緊湊、體積小、重 量輕、可高重複頻率工作等特點。美國直升機防撞激光成像雷達和預警機載“門警”系統激光雷達，英國的查分吸收光雷達都是採用OPO做輻射源。可預計，未來將會有更多的OPO激光雷達問世。
2… 多傳感器集成和數據融合
激光雷達的另一個發展方向是成像應用。激光雷達成像具有優越的三維成像能力，其數據處理算法相對簡單，不需要多批次圖像融合即可得到偵查區域多層次的三維圖，與其他成像偵查手段相比，在實效性方面具有不可比擬的優勢。與光學和微波成像相比，激光雷達成像在獲得偵查區域目標的同時能快速獲得目標高程數據，提高對戰場的探測能力。 激光雷達成像所獲得的是目標距離和強度數據，激光雷達數據圖像與可見光數據圖像、紅外電視數據圖像等其他數據圖像的融合在目標物特徵提取、識別等方面具有重要的作用。激光雷達數據圖像包含目標的位置、體積、形狀等三維立體信息，充分反映目標的幾何信息。但激光雷達數據由於激光譜線成像，光譜信息單一，不能充分反映目標物的物理屬性信息。而可見光數據圖像、紅外電視數據圖像包含豐富的目標光譜信息，但目標的幾何信息只有二維的平面位置信息。將激光雷達數據圖像與可見光數據圖像、紅外電視圖像相融合，實現多傳感器集成，可發揮出各自的優勢。 - 不斷探索激光雷達新體制
多年來，對激光雷達新體制的探索工作一直在進行，尤其最近幾年研究工作比較活躍，包括激光相控陣雷達、激光合成孔徑雷達、非掃描成像激光雷達等。 相控陣激光雷達是通過對一組激光束的相位分別進行控制和波束合成，實現波束功率增強和電掃描的一種體制。美國自70年代初開始研究激光相控陣技術，實現一維光相控陣以來，先後研製出多種二維移相器陣列並製成以液晶爲基礎的二維光學相控陣樣機。
合成孔徑雷達是利用與目標做相對運動和小孔徑天線並採用信號處理方法，獲得高方位分辨力的相干成像雷達。利用激光器做輻射源的激光合成孔徑雷達，由於 頻率遠高於微波，對於同樣相對運動速度的目標可產生大得多的多普勒頻移，因此，很像距離分辨率也高得多，而且利用單個脈衝可瞬時測得多普勒頻移，無需高重頻發射脈衝。正因爲如此，基於距離\多普勒成像的激光合成孔徑雷達的研究工作受到重視。美國自80年代開始開展了激光合成孔徑雷達的概念研究，並進行了原理實驗。實驗研究採用重複頻率爲100Hz的TEA CO2相干脈衝激光器，脈寬爲150ns，峯值功率爲100kw，以單縱橫工作，而且頻率可調。儘管迄今尚未見到成功的報道，但仍不失爲激光雷達的一個發展方向。 自90年代初以來，美國Sandia國家實驗室一直致力於發展一種新體制激光成像激光雷達不需要機械掃描，而是利用高頻強度調製的激光器照射目標，用帶向增強器的CCD攝像機接收回波，經過數字信號處理依次提取每個光點的距離信息，形成目標的強度\距離三維圖像。其特點是簡單、可行、體積小、重量輕、可得到高分辨率圖像。因而防撞、自主導航、目標識別、自動檢驗、視景、警戒、監視和地形測繪等軍事和民用方面具有廣闊的應用前景。