机载LIDAR系统的原理及结构

机载LIDAR系统的原理及结构机载激光雷达(LiDAR)技术，是一种通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点的三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。机载激光雷达系统集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等光谱成像设备。其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术(数码相机)可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果，如高密度点云数据、高分辨率数字正射影像DOM、各种数字地形模型DTM、表面模型DSM、大比例尺地形图DLG等，并且利用激光LIDAR的高密度点云所形成的数字地表模型经过一定的加工可以制作真正在国土、规划和城市建设管理、以及数字城市建设中可以应用的3D电子沙盘。传统的航空摄影测量制作技术主要依靠空中三角立体测量技术,依赖航空摄影、摄影处理、地面测量(空中三角测量)、立体测量、制图过程的生产模式,周期明显太长,已经无法适应当前信息社会的需要。激光雷达(Light Detection And Ranging, LiDAR)技术是现代对地观测的最新技术之一,通过位置、距离、角度等观测数据直接获取对象表面点三维坐标,对地面的探测能力有着强大的优势,具有空间与时间分辨率高、动态探测范围大、地面基站布设少、能够部分穿越树林遮挡、直接获取真实地表的高精度三维信息等特点,是快速获取高精度地形信息的全新手段。一、 机载LIDAR系统的原理 机载 LIDAR 系统是一种集激光扫描、GPSDGPS 和惯性导航系统三种技术于一体的系统，这三种技术的结合，可以高度精确地定位激光束打在物体上的光斑。激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达毫米级。机载激光雷达系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接受。从空中的飞行载体上对地面进行测量的原理是“双路”时间测量方法。即只需要记录激光信号从激光器发射到返回的时间，结合其他数据就可以准确的计算出地面光斑的准确的X、Y、Z坐标。 图 1 机载LiDAR航测原理图二、 机载LiDAR结构设计图 2 机载LiDAR结构设计三、机载LiDAR系统外观 图 3 机载LiDAR系统外观（从左到右依次为：低空无人机、中空和高空LiDAR系统）四、 机载LiDAR系统的特点1、 主动的测量方式：主动发射激光脉冲，不依赖于太阳光照，通过接收其回波信号进行三维数据的获取；2、 高便捷、无控制：与传统航测相比较，地面控制工作大大减少，基本可以不需要实现埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点上安置一个或几个GPS基准站即可，可以大大提高作业速度和效率 ；3、 高精度：数据成果精度很高，根据机载LiDAR设备技术指标的差异而有所不同，一般平面精度可达 0.10.5 米，高程精度可达万分之一的飞行净空高度； 4、 高密集：激光点云数据很密集，一般每平方米110个激光点，数据可达到很高的密度,高密集的点云数据能够真实反映地形地貌；对于特殊应用的低空飞行作业，其点密度可以达到每平方米50个点以上，如激光电力巡检作业；5、 高效率：飞行方案的设计以及后期成果制作大多由软件自动完成，从前期数据的获取到后期数据成果的生成很高效；6、 高分辨率：能同步获取高清晰的数码影像数据；7、 高数据成果效率：采集获得的数据可以获得多种成果：DSM、DTM、DEM、DOM、DLG、专题图、三维模型等；8、 可以对危险及困难地区安全地实施远距离测量、高精度三维测量；9、 多回波：是目前唯一一种能够测定森林覆盖地区地面高程的可行技术手段。