第2章　航空激光雷达数据处理技术

激光雷达技术又称激光扫描测距技术（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一项快速直接获取地形表面模型的技术，是继GPS空间定位技术之后又一项取得新突破的测绘技术。和微波以及传统的光学成像不同，LiDAR传感器采用红外和近红外波长，通过高速激光扫描测量方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的空间立体三维坐标数据。这种技术直接将各种大型的、复杂的、不规则的、标准的或非标准等实体或实景的三维数据完整地采集到计算机中，从而为快速重构目标的三维模型，并为获得三维空间的线、面、体等各种制图数据提供了极大方便，同时，它所采集的三维激光扫描数据还可以进行多种后处理工作，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段 （刘春， 陈华云，吴杭彬， 2009）。由于其具有快速、实时、主动、不接触被测目标、穿透力强、高密度、数字化、自动化等特性，引起了测量技术的又一次革命（王永波，2011）。

激光雷达通常可分为三类，即CO2激光雷达、二极管泵浦固体激光雷达和二极管激光雷达。CO2激光器大气传输性能好，效率高，易于实现高灵敏度外差探测和三维成像，信息处理技术很成熟，因而早期的激光雷达大多都采用了这类激光器。另一方面由于CO2激光器尺寸比较大，其光电导体碲镉汞（HgCdTe）探测器需低温制冷，从而制约了其应用。固体激光器如钇铝石榴石晶体（NdYAG）激光器等，原来由于效率低，散热问题较大，重复频率受限，也使其应用受限，但后来随着固体激光器技术的发展，已能实现高重复频率，目前二极管泵浦固体激光雷达成为新的研究热点。二极管激光器原来输出功率很低，所以其应用也受到限制，但近年来这类激光器的输出功率已得到大大提高，特别是关于二极管阵列激光器的输出功率方面的研究已取得重大突破，因而二极管激光雷达将会有很大的发展潜力。

激光雷达技术按照平台可以分为地面雷达技术、航空/机载激光雷达技术和航天/星载激光雷达技术。20世纪60年代人类开始利用LiDAR技术进行试验，航空LiDAR最早于60年代中期用于海道测量，当时，最先进可靠的一种设备叫做扫描海道测量机载激光雷达测量系统（SHOALS），美国等先后用机载激光测距系统在深海测深和水道测量进行试验并取得成功；从60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。美国在70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测距技术。

激光雷达技术的不断发展与进步，在军事、勘查、测绘等各方面都受到了广泛的重视和研究。在对地观测领域，利用遥感影像可获取地表面形态和覆盖类型等信息（包括海洋和水下地形），制作地形图、土地利用图和各种专题图，满足规划、决策、预测等各方面的需要，这不仅要求能够获取各类地物的三维坐标信息，还要求能够准确地判断各类地物的属性。由于激光雷达技术可以提供各种目标的距离图像和强度图像，同样也能够满足获取地物几何信息和物理信息的需要，其实也是一种很好的遥感手段。但由于其强度图像与通常的可见光和红外遥感影像不同，不是目标反射太阳辐射的信息，对影像分析而言，信息量还不够。后来随着遥感技术和定位定向技术的不断发展，人们将激光雷达与其他遥感技术、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术结合起来，组合为激光雷达测距系统，这样就能充分发挥各种技术的优势。激光雷达所提供的地物目标距离信息与GPS定位信息结合起来，加上惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）提供的飞行平台姿态信息，就可以非常快捷地确定地物目标三维坐标，而同步工作的其他遥感仪器如摄像机或扫描仪等，其所获取的地物目标的影像信息若与激光雷达所获取的强度信息结合起来，可以为地物目标分析提供丰富的光谱数据，这样的集成系统在测绘领域将有非常好的应用前景。

航空激光雷达是一种安装在航空器上的机载激光探测和测距系统，一般采用直升机或固定翼飞机作为平台，飞行高度在1000m以下（一般在300m左右）。扫描时，扫描仪对地面以每秒2000～10000个脉冲进行扫描，系统同时接收反射回波。通过量测地面物体的三维坐标，生成LiDAR数据及影像。航空激光雷达技术是主动对地观测技术，具有全天候、作业周期短、精度高、费用低等优点，所以近年来它的商业化应用非常广泛，使航测制图如生成数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、等高线和地物要素的自动提取更加便捷，其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。

航空LiDAR系统主要用于快速获取大面积三维地形数据，如瑞典SAAB公司研发的TopEye系统、加拿大Optech公司研发的ALTM系统、美国John Chance公司的Fli–Map系统、奥地利Riegl公司的LMS-S560系统等。国外一些大学和研究机构也开展了这方面的研究，如：加拿大卡尔加里大学1998年进行了机载LiDAR系统的集成与实验，通过对购置的LiDAR设备与GPS和数据通信设备的有机集成实现了一个机载LiDAR数据获取系统，并进行了一定规模的实验，取得了良好的效果；荷兰测量部门自1998年就开始从事使用LiDAR技术提取地形信息的研究等（王永波，2011）。

最早的航空激光雷达系统是美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）支持开发的系统，加拿大、瑞典、德国、澳大利亚以及中国也相继开发出这类机载集成系统，主要用于陆地测量和浅海水下地形测量。航空激光雷达系统发展得很快，它集多种技术于一身，已成为空间数据获取的一种重要技术手段。航空激光雷达系统技术复杂，它通常以飞机为载体，集成激光扫描系统、差分GPS系统、IMU惯性测量单元以及CCD数字相机，激光扫描系统获得地面三维信息，差分GPS系统实现动态定位，IMU实现姿态参数的测定，CCD相机获得地面影像。利用所获取的GPS数据、激光测距数据、惯导姿态数据，经一系列的处理后，即能得到地面点的三维坐标和影像信息。