激光雷达论文

姓名：星载激光雷达的应用星载激光雷达的应用姓名学号学院北京市海淀区学院路37号北京航空航天大学100191*E-mail:摘要激光雷达在现代社会上多个领域都有着广泛的应用，星载激光雷达便是其中之一。星载激光雷达在航天领域中有着广泛的应用。本文简单介绍了激光雷达的发展与原理，星载激光雷达在各个领域中的广泛应用，及我国星载激光雷达技术的发展现状和必要性。关键词星载激光雷达领域应用激光雷达技术是一门新兴技术，在地球科学领域及行星科学领域有着广泛应用。随着这一技术在相关行业的深入开展，它越来越被世界各国的人们所熟知，并被大力推广、研发和应用，成为当今较为热门的现代量测技术。激光雷达技术按不同的载体可分为星载、机载、车载及固定式激光雷达系统。其中星载及机载激光雷达系统结合卫星定位、惯性导航、摄影及遥感技术，可进行大范围数字地表模型数据的获取；车载系统可用于道路，桥梁，隧道及大型建筑物表面三维数据的获取；固定式激光雷达系统常用于小范围区域精确扫描测量及三维模型数据的获取。总之，激光雷达技术的出现，为空间信息的获取提供了全新的技术手段，使得空间信息获取的自动化程度更高，效率更明显。这一技术的发展也给传统测量技术带来革命性的挑战。1激光雷达技术的发展历程国外激光雷达技术的研发起步较早，早在20世纪60年代年代，人们就开始进行激光测距试验；70年代美国的阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术；80年代，激光雷达技术得到了迅速发展，研制出了精度可靠的激光雷达测量传感器，利用它可获取星球表面高分辨率的地理信息。到了21世纪，针对激光雷达技术的研究及科研成果层出不穷，极大地推动了激光雷达技术的发展，随着扫描，摄影、卫星定位及惯性导航系统的集成，利用不同的载体及多传感器的融合，直接获取星球表面三维点云数据，从而获得数字表面模型DSM，数字高程模型DEM，数字正射影像DOM及数字线画图DLG等，实现了激光雷达三维影像数据获得技术的突破。使得雷达技术得到了空前发展。如今机光雷达技术已广泛应用于社会发展及科学研究的各个领域，成为社会发展服务中不可或缺的高技术手段。2激光雷达技术的工作原理及流程激光雷达系统是一种集激光雷达扫描探测，卫星定位和惯性导航系统于一身的多功能三维影像获取系统。通常由三部分组成，分别为POS系统，传感器系统以及存储与控制系统。其中POS系统由卫星定位系统和惯性导航系统组成，卫星定位系统通过差分实时测定传感器的空间位置，惯性导航系统精确记录传感器的空间姿态，存储与控制系统将传感器测算的空间信息存储起来，通过后处理软件计算出准确的空间点云数据。并生成各种数字产品如：DSM、DEM、DOM、DLG等，其工作流程如下：姓名：星载激光雷达的应用确定激光雷达技术方案根据所需要成果的用途及精度，确定采用激光雷达技术的工作方式。对于小比例尺基础测绘和大范围的规划及考察研究，可采用星载激光雷达技术进行数据采集；对于高精度大面积基础测绘及区域性详细规划，可采用机载激光雷达技术进行数据获取；对于交通及观测条件允许的带状区域的基础测绘及高精度信息获取，可采用车载激光雷达技术采集数据；对于小范围、小区域的高精度三维数据获取及建模研究等可采用固定式激光扫描技术采集数据。数据采集根据选定的激光雷达技术方法，利用GPS系统获得传感器的空间位置数据，利用惯性导航系统获取传感器空间姿态数据；利用摄影及扫描系统获取空间三维坐标及影像数据；利用存储及控制系统记录所有获取数据，并对定位数据、测姿数据、扫描及影像数据进行归类存储。数据处理外业数据采集完成后，利用相关软件，对卫星定位轨迹数据、传感器姿态数据、激光扫描数据进行联合处理，得到大量测点的(X，Y，Z)三维点云数据及影像数据。其中包括影像数据的定向、镶嵌及空三结算；激光数据拼接、滤波及异常值剔除；坐标及高程系统转换等。数据应用：通过内业联合处理后，生成满足用户需求的数字表面模型DSM、数字高程模型DEM、正射影像图DOM及数字线划图DLG及各类专业地图[1~3]。3激光雷达的应用随着国际社会对激光雷达技术的深入研究，这一新兴技术的优越性越来越明显，在各个行业均有其独特的优势。激光雷达传感器发射的激光脉冲能部分穿透树林遮挡，直接获取真实地面的高精度三维地形信息。且激光雷达测量不受日照和天气条件的限制，能全天候地对地观测，这些特点使它在灾害监测、环境监测、资源勘查、森林调查、地形测绘等方面的应用更具优势，能有效地弥补常规传感器的缺陷，是对现有航空、遥感技术的一种有效补充。况且激光雷达测量技术又可以同其他技术手段集成使用，如将激光雷达测量技术同传统的航空相机、CCD相机以及红外遥感器等进行结合，可组成一套新的功能更强的遥感系统，为地球空间信息智能化处理提供新的融合数据源，在各行各业的应用都有较大优势，具体表现如下：普通测绘中的应用激光雷达技术常被用来测绘带状地形图，其中包括交通线路、输电线路、海岸线、沟、管线路、水下地形等。通过激光雷达技术可以获取高密度、高精度的激光点云数据，去除植被、房屋、其他建筑物等非地形目标上的点云数据，进而生成目标表面模型。文物遗址保护领域的应用对大型的遗迹及文物进行激光扫描，实现文物遗址的三维数字化建模，永久地保存文物信息，减少人为因素对文物的损坏；还可以按照时间序列，将历史文化遗迹在时间隧道中再现；另外借助于互联网，可以快速地实现资源共享，这都将对文化遗产保护、复原与研究具有重要意义。构建“数字城市”的应用地面激光雷达能够对地面建筑物进行多角度激光扫描，可以快速获取城市中各类建筑物的三维点云数据，并在软件的支持下进行拼接、建模、纹理映射，从而得到“数字城市”所需要的高精度、真三维、可量测的，具有真实感的虚拟城市三维模型。三维模型不但可以对目标建筑进行精确量测，也可以从任意角度实时交互地看到规划效果，获得前所未有的直觉体验。激光雷达技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段，使人们从传统的单点数据获取变为连续自动数据获取，并能够快速地获取精确的高分辨率的数字地面模型以及地面物体的三维坐标，同时配合地物的影像，增强人们对地物的认识和识别能力，在社会建设的各个领域均具有广阔的发展前景和应用需求。目前，越来越多的用户对使用激光雷达技术产生了浓厚的兴趣，显示了这项技术的强大市场需求。激光雷达技术，能够在一定程度上解决城市建设、规划、环保、虚拟显示，军事国防，电子娱乐、灾害预防与控制等方面的数据需求。姓名：星载激光雷达的应用涉及测绘、国土、规划、电力、交通等多个领域的产业部门的用户。随着激光雷达技术在我国的全面推广以及相关技术的飞速发展，激光雷达技术难度将大大降低，会使越来越多的用户在使用激光雷达技术中获得所需的空间信息，从而创造更大的经济利益和社会效益[1~3]。4星载激光雷达在各个领域中的应用4.1天体测绘星载LiDAR可以在卫星上采集和处理数据，具有观察整个星体的能力，所以在月球和火星等探测计划中都包含了激光雷达测高计，这有助于制作这些天体的综合地形图，使天体表面地形特征的高程信息更加精化，也是未来进行登陆探测的着陆地点选择依据。而且这些探测器不仅可以提供所测星体的地貌，还为星体地质和物理科学等研究方面提供更多宝贵的资料，如表面反射率季节变化、大气结构、岩石圈密度分布等。4.2全球高程信息的采集2000年，美国执行了“航天飞机雷达地形测绘任务”SRTM(ShuttleRadarTopographyMission)。这次任务所采集的是以地心坐标系为基础的数据，其传感器、处理方法、影像分辨率、采集时间都是一致的，第一次解决了陆、海以及世界各地之间地形数据的统一问题。10天采集的全部原始数据仅处理时间就需要约两年，最终获取的全球数字高程模型（DEM）可以将美军现有的全球DEM精度提高约30倍。星载LiDAR所能获取的高程数据比普通干涉雷达精确得多，而且LiDAR的数据后处理工作也更为简单。美国的GLAS系统激光光斑尺寸为70m，间隔170m，数字化采样频率高达1GHz，相当于15cm的采样间隔，其高程精度明显高于SRTM。即使在人迹罕至、测绘困难的两极地区，也可以进行高精度的测量。4.3全球控制点的采集航拍或高分辨率卫星影像制成的地图，必须经过地面控制点的精确校正才能达到高定位精度。近年来美军所使用的战地电子地图精度约10m，在阿富汗以及伊拉克游击战期间，美军地面部队搜寻恐怖组织时使用这种地图已经足够，但这样的精度显然不足以用来引导高精度导弹。由于星载LiDAR具有对云层、植被的穿透能力，还具有高精度、全天时、覆盖面积广等特点，将成为采集全球控制点最有效的方法。美国NASA在1996年和1997年进行了两次航天激光测高仪（SLA）测量，建立了基于SLA的全球控制点数据库，激光光斑大小为100m，光斑间隔为750m，每秒发射10个脉冲，接收机数字采样频率100MHz，测高精度达到1.5m，基本上覆盖了全球南北纬60°之内的区域。4.4环境监测的应用4.4.1极地冰盖监测极地冰雪动态变化是极地科学研究中重要主题之一，在很大程度上影响着全球气候和海平面的变化。星载LIDAR是目前用于研究两极冰雪变化的最有效的手段之一。ICESat上的激光测高仪GLAS能够精确地测量极地冰盖表面特征、冰层厚度变化，能够制作较大比例尺的冰盖拓扑图，还可测量海冰高程、粗糙度、厚度及表面反射率等。另外，GLAS测高数据还将极大地改进极地冰盖物质总量平衡模型和冰盖地形详图。星载LiDAR相对于雷达测高仪表现出明显的优越性，尤其针对极地研究，ICESat对极地监测的覆盖范围更广、对象更多、测量精度和分辨率更高。可以预见，星载LiDAR将更多地用于测量南北两极冰盖的地形、监测极地冰雪物质平衡变化，以及由于两极冰雪变化而引起的全球海平面变化。4.4.2林业资源调查星载LiDAR发射的激光脉冲能部分地穿姓名：星载激光雷达的应用透植被冠层，通过回波波形数据可以分析出整个植被冠层的三维结构和冠层下的地形，可以测量和估算树木高度、冠层结构等参数，从而估算森林生物量，为其他林业研究提供基础数据。目前，美国GLAS星载激光测距仪，除了用于测量冰盖地形、监测云层和大气的特性外，另一个重要的应用领域便是对林业资源的调查。4.4.3大气成分和结构测量LiDAR用于大气成分监测的机理是通过被测气体对激光的散射、吸收、消光等物理作用，定量分析激光大气回波，达到监测大气的目的。LiDAR可测量大气的温度、湿度、风速、能见度、云层高度、城市上空污染物的排放浓度等。与传统的取样法监测大气污染相比，LiDAR具有高时空分辨能力、监测范围大等优点。目前，应用于星载的大气监测LiDAR主要为差分吸收（DIAL）激光雷达。ICESat利用1064/532nm双波长对全球云/气溶胶垂直结构、行星边界层高度及极地对流层和同温层的云层进行观测，这些数据对于了解辐射平衡以及完善大气降水模型都尤为重要[4~12]。5我国星载激光雷达技术的发展现状和必要性星载LiDAR在短短几十年中的迅猛发展，体现出这个新兴探测方式所具有的独特潜在力，星载LidAR将越来越多地用于科学研究或军事战略等众多领域，作为获取三维高程和垂直结构信息非常有效且精确的手段，必将成为未来空间探测的发展趋势。我国早在80年代就开始了对LiDAR的研究，也已经制定了星载LiDAR计划。2004年2月正式启动的月球探测计划———“嫦娥”一号绕月卫星，计划搭载激光高度计用于月球表面的高度探测，探测数据与CCD光学相机的平面图像叠加处理后可以得到月球表面三维地形图形，为今后“落月”计划的实施提供基础数据。如果按计划于今年下半年发射，“嫦娥”一号也将成为我国第一颗搭载LiDAR的空间探测器。此外，为加快我国激光雷达技术的发展，国家科技部在863计划中也相继布置了有关星载激光雷达系统的预研课题。国际空间大国激光雷达技术发展的历程表明，机载激光雷达系统的研制和应用是发展星载激光雷达的技术基础。在我国，中国测绘科学研究院、中国科学院武汉测量与地球物理研究所、武汉大学、中国科学院光电研究院等许多研究机构都已经