中国国防军事近代史作业激光雷达测量技术的发展概况.docx

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中国国防军事近代史作业激光雷达测量技术的发展概况

《中国近代国防科技史》

课程报告

激光雷达（LIDAR）测量技术

单位：

四院五队

姓名：

周杰

学号：

GS12041103

激光雷达（LIDAR）测量技术

激光雷达（LIDAR）测量技术是从20世纪中后期逐步发展起来的一门高技术，可用于地球科学和行星科学等许多领域。

美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就使用了激光测高技术。

20世纪80年代，激光测高技术得到了迅速发展，人们研制出了实用的、可靠的激光测高传感器，其中包括航天飞机激光测高仪（ShuttleLaserAltimeter,SLA）、火星观测激光测高仪（MarsObserverLaserAltimeter,MOLA）以及月球观测激光测高仪（LunarObserverLaserAltimeter,LOI.A）。

借助这些激光测高仪，人们可以获取地球、火星及月球上高垂直分辨率的星体表面的地形信息，这对于研究地球和火星等行星的真实形状有着重要的科学意义。

上述这些激光测高仪的激光束的指向一般是固定的，需依靠搭载激光测高仪的飞行器绕星体的周期运动来获得星体上大范围离散分布的激光脚点的高程数据。

20世纪90年代前后，随着GPS动态定位和高精度姿态确定等定位、定姿技术的发展成熟，人们设计将激光测高仪安置在飞机上，同时为了提高采点效率和带宽，采用扫描的方式来改变激光束的发射方向，将这些设备有机地集成在一起协同工作，就构成了一个机载激光雷达测量系统。

随后几年，机载激光雷达测量技术蓬勃发展，欧美等发达国家先后研制出了多种机载激光雷达测量系统。

机载激光雷达测量技术的发展为我们获取高时空分辨率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，使我们从传统的人工单点数据获取变为连续自动数据获取，不仅提高了观测的精度和速度，而且使数据的获取和处理朝智能化和自动化的方向发展。

机载激光雷达测量技术可广泛用于快速获取大面积三维地形数据、快速生成DEM等数字产品。

机载激光雷达测量在灾害监测、环境监测、海岸侵蚀监测、资源勘察、森林调查、测绘和军事等力一面的应用具有独特的优势和广泛的应用前景。

机载激光雷达测量能直接获取真实地面的高精度三维地形信息，具有传统摄影测量方法无法取代的优越性。

在一些特殊地区，如森林地区，机载激光雷达测量技术相对于传统测绘手段而言，又显示出了其独特的优越性。

机载激光雷达测量技术在地球空间信息学科的许多领域具有广阔的发展前景和应用需求，有很强的市场竞争力。

虽然机载激光雷达测量技术的广阔应用前景引起了人们的极大关注，且硬件设备在国外已相当成熟，绝大部分属丁硬件和系统集成方面的许多关键问题也已得到解决，诸多机构利用这种系统获得了大量的野外实测数据，并在很多领域得到具体的应用，但是机载激光雷达测量数据的后处理算法在国际上仍然处于研究发展阶段，还有许多问题没有得到很好的解决，主要包括:

①系统误差的建模;②激光点云数据的滤波分类;③利用机载激光雷达测量数据进行地物提取，并重建建筑物的三维模型;④数据的稀疏化（thining）.

随着机载激光雷达测量精度及其可靠性的不断提高，商用机载激光雷达测量系统的应用逐步地得到了越来越多人的认可。

据统计，截至2001年7月，全球约有75个商业组织使用60多种类似的系统，且从1998年起，以每年25%的速度增长。

相比而言，机载激光雷达测量技术的应用研究在我国起步较晚，中国科学院遥感应用研究所的李树楷教授等研制的机载激光扫描测距成像系统于1996年完成了系统原理样机的研制，但系统离实用尚有距离。

随着发达国家对机载激光雷达测量技术的开放，我国国内已有少数公司购置了整套设备，并开展了机载激光雷达测量的实际应用，但目前国内还没有系统完整地论述机载激光雷达测量的书籍，这给广大从事机载激光雷达测量研究和应用的人带来了不便。

地球及其外部空间是人类赖以生存的共同家园，它是由四大圈层及其相互作用构成的，具有复杂的时空变化特性的巨系统。

社会和经济的迅速发展、世界人口的急剧增加，造成资源大量消耗、生态环境加速恶化、灾害频繁发生等严峻问题。

有关这些问题的研究，要求以系统、整体的观点认识地球及其环境的时空变化，需要以信息科学、空间科学为基础，并以地球空间环境探测、遥感对地观测、卫星导航定位系统、地理信息系统、现代信息技术为手段，

建立地球空间信息的科学技术体系，因此，地球空间信息学（Geo-SpatialInformationScienceandTechnology,Geomatics）应运而生。

地球空间信息，从广义上讲，指的是各种空载、星载、车载、船载和地面观测技术所获取的地球系统各圈层物质要素存在的空间分布和时序变化及其相互作用信息的总体。

空间定位技术、航空和航天遥感、地理信息系统和互联网等现代信息技术的发展及其相互间的渗透，逐渐形成了地球空间信息的集成化技术系统。

近二三十年来，这些现代空间信息技术的综合应用有了飞速发展，使得人们能够快速及时和连续不断地获得有关地球表层及其环境的大量几何与物理信息，形成地球空间数据流和信息流，从而促成了“地球空间信息学”的产生。

地球空间信息学作为信息科学、空间科学、地球科学的交叉学科，是以地球空间环境探测技术、全球卫星导航定位技术、遥感对地观测技术和地理信息技术为主要研究内容，以计算机技术、网络通信技术为主要技术支撑，用丁采集、量测、分析、存储、管理、显示、传输和应用与地球和空间分布相关数据的一门综合和集成的科学与技术（李德仁，2000）。

它是当今世界的一个前沿领域，是当今世界各国研究的热点之一。

数据挖掘、信息融合、系统集成和可视化虚拟现实技术已成为它的关键技术热点，信息的获取、处理和应用是其研究的三大上题。

地球空间信息科学不仅包含现代测绘科学的所有内容，而且体现了多学科的交又与渗透，特别是现代空间技术和信息技术的应用。

地球空间信息科学不局限于数据的采集，而是强调对地球空间数据和信息从采集、处理、量测、分析、管理、存储到显示、分发和应用的全过程。

这些特点标志着测绘学科从单一学科走向多学科的交又;从利用地面测量仪器进行局部地面数据的采集拓展到利用。

各种星载、机载和舰载传感器实现对地球表面及其环境的几何、物理等数据的采集;从单纯提供静态测量数据和资料延伸到实时、准实时提供随时空变化的地球空间信息。

将空间数据和其他专业数据进行综合分析，其应用已扩展到与空间分布有关的诸多方面，如环境监测与分析、资源调查与开发、灾害监测与评估、现代化农业、城市发展、智能交通和基于空间位置的服务等。

因此，地球空间技术（Geo-SpatialTechnology）与纳米技术和生物技术一起被列为当今最具发展前景的三大重要高新技术。

经过几十年的发展，地球空间信息学已逐步成为一门具有完善的理论基础、坚实的技术支持和广泛的应用领域的综合性学科，并为资源、环境、灾害、交通、城市发展等诸多与社会可持续发展密切相关的领域提供全新的技术支持和全方位的信息服务，在很大程度上改变了许多行业的生产方式，极大地推动了社会经济的全面发展。

航空航天遥感是获取地球空间信息的重要技术手段之一，目前正朝着多传感器、多极化、多角度、高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱等方向发展。

人们利用天基的、空基的、地基的多种传感器，多层次、多角度地对地球进行全方位、立体式的观测。

而机载系统具有成本低、机动灵活、观测精度高、作业效率高等优点，是对地观测的重要技术手段之一在过去的几十年里，航空摄影测量是低空获取地球空间信息的主要技术手段之一，并发挥了重要的作用。

20世纪80年代末，机载激光雷达（LIDAR）测量技术作为一种新兴的空间对地观测技术，在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，引起了测绘、林业等相关行业的浓厚兴趣。

最近几年，随着相关技术的发展以及社会需求的不断扩大，机载激光雷达测量技术的发展日新月异，机载激光雷达测量系统实际上已经代表了对地观测领域一个新的发展方向。

机载激光雷达测量技术的发展与现状

利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前。

从20世纪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，具中包括激光测月和卫星激光测距。

激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用。

美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光雷达测高技术（Kaula,etal,1974）}20世纪80年代期间，激光雷达测量技术得到了迅速发展，包括当时美国NASA研制的大气海洋Lidar系统（AOL）以及机载地形测量设备（ATM）等机载系统。

但机载激光雷达测量技术直到最近十几年才取得了重大进展，并研制出精确可靠的激光雷达测量传感器，包括航天飞机激光测高仪（ShuttleLaserAltimeter,SLA）（Garvin,etal,1998）和火星观测激光测高仪（MarsObserverLaserAltimeter,MOLA）（Smith,etal,1998）以及月球观测激光测高仪（LunarObserverLaserAltimeter,LOI,A）（Garvin,etal,1988）。

利用它们可获取地球表曲、火星表面及月球表面的高分辨率的地形信息，这对于研究地球和火星等行星的真实形状等有着重要的科学意义、航天飞机激光雷达测高仪由NASA/GSFC设计，它是一种空间飞行仪器，安置在航天飞机上，从地球低轨道高度上测量地形，可为星载激光雷达测高进行科学试验。

1984年，就有研究者从事机载激光雷达地形测量的研究，并给出了测量结果（Krabill,etal,1984）。

德国斯图加特大学摄影测量学院在1988年开始研究机载激光扫描地形断面测量系统。

荷兰测量部门自1988年就开始从事利用激光雷达测量技术提取地形信息的可行性研究。

加拿大片尔加里大学1998年进行了机载激光雷达系统的集成与实验，通过对激光扫描仪GPS,INS和数据通讯设备的集成实现了一个机载激光雷达三维数据获取系统，并进行了一定规模的实验，取得了理想结果。

日本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成与实验（ZhaoHJ,etal,1997,1999）。

随后几年，随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术得到了蓬勃发展，欧美等发达国家先后研制出多种机载激光雷达测量系统，其中主要包括TopScan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye等多种实用系（Baltsavias,1999c）。

随后，全球著名的测绘仪器生产厂家Leica公司也推出了机载激光雷达测量设备LeicaALS40。

据统计，截至2001年7月，全球约有75个商业组织使用60多种类似的系统，从1998年起，以每年25%的速度递增（FloodM,2001）。

关于机载激光雷达测量技术的发展历史可归纳成下表。

机载激光雷达测量技术的发展简史

1972年

AirborneProfileRecorder（APR）andCombinedRlockadjustment

1980-1988年

机载激光雷达技术的可行性研究（美国、德国等）

1989-1990年

Stuttgart大学研制成功第一个激光断面测量系统（Ackcrmann教授）

1993年

德国首次出现商用机载激光雷达系统TopScan（ALTM1020）TOPSSYS

1999年

全球约有三十几个商用机载激光雷达系统

2001年

全球约有六十几个商用机载激光雷达系统

2001年至今

广泛应用于三维城市建模、森林资源管理、海岸侵蚀监测、测绘等领域

随着机载激光雷达系统的不断成熟，其应用范围不断扩大。

美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载激光雷达测量系统使用了机载激光测距设备、全球定位系统（CP5）、陀螺稳定平台等设备，飞行高度为500-600m，直接测距与定位，最终得到浅海地形（或DEM）。

比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光扫描水下地形测量系统（ScanningHydrogra-phicOperationalAirborneLidarSurvey,SHOALS）（IrishJL,etal,1999），它采用激光雷达技术实施远距离量测浅海深度，并测绘海岸地带的地形，监测海岸侵蚀等。

该系统于1994年3月正式投人使用。

作业实践表明，机载激光雷达测深是一种经济有效的技术手段。

美国HARC（HoustonAdvancedHesearchCen-to）的激光雷达地形测量系统于1994年已做了飞行试验，飞行高度为600m，最终产品的飞行高度设计为1600-1700m。

采用扫描激光侧距方式，利用全球定位系统（CPS）作定位，姿态测量装置据估计是惯性导航系统（INS）。

据了解，这种系统标称能“隔夜”提供DEM，显然生成DEM的速度比常规技术要快若干倍，可实现准实时遥感信息的定位并生成DEM，效率将比现有的信息获取技术提高约几十倍。

德国联邦政府测绘局（SMA）1994年开始研究利用激光扫描技术获取数字地形模型，获取地面真实正射影像，通过对数据进行滤波和分类，将地面点跟建筑物或植被点分开。

现在德国已有几个州的测绘部门进行了用激光雷达测量数据生成高质量DTM的试验，结果都很理想，特别是在林区，所达精度甚至优于摄影立体编辑法获得的精度。

荷兰已在全国范围内利用机载激光测高技术建立数字高程模型（DEM），采集数据的空间分辨率已达到每16mz有一个激光脚点（Husin,etal,1998）。

美国NASA于2003年初发射了星载激光测高卫星（Ice,CloudandLandElevationSatellite,ICESat），该卫星的科学目的主要是:

①用于测量两极冰面地形及其随时间的变化，为预测未来两极冰盖的变化趋势以及海平面的变化提供基础数据，研究全球气候的变化;②应用于大气科学研究，研究大气层的垂直结构等，从而为研究整个大气圈的变化和中长期的气候变迁提供科学的数据;③用于测绘陆地地形图，进行全球植被覆盖率的调查和动态监测，获取全球数字高程模型。

NASA还开发研制机载激光植被成像传感器（LaserVegetationImagingSensor,LVIS）系统（BlairJB,etal,1999）,该系统可用于森林资源的调查和管理，包括推算植被参数和森林垂直结构，如树高、树冠直径、树木密度、植被生长情况、木材量、树种等。

机载激光植被成像传感器实际上是美国NASA后续的地球遥感卫星VCL（VegetationCanopyLidar）计划的预研。

相比国外，机载激光雷达测量技术的研究在国内的起步较晚。

中国科学院遥感应用研究所的李树楷教授等研制的机载激光扫描测距-成像系统于1996年完成了该系统原理样机的研制（李树楷等，2000）该系统还有别于目前国际上流行的机载激光雷达系统，它将激光测距仪与多光谱扫描成像仪共用一套光学系统，通过硬件实现DEM和遥感影像的精确匹配，自接获得地学编码影像，但该系统离实用还有一段距离。

李树楷教授在书中写道，“具有高效特色的机载激光影像制图系统的原理样机已经完成了。

距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。

缩短这段距离不仅是技术上需要时间，更重要的是要为专家所接受，要为科技发展的决策者所接受，要为社会所接受，这种非技术因素比技术难度更复杂、更困难，需要时间更长。

”（李树楷等，2000）。

武汉大学的李清泉教授等开发研制了地面激光扫描测量系统，还没有将定位定向系统集成到一起，目前主要用于堆积测量（李清泉等，2000）。

目前，我国十分重视激光雷达侧量系统的研制，科技部、电子工业部、中国科学院等单位已经开始研制机载或星载激光雷达系统。

武汉大学、中国测绘科学研究院等单位正在引进国外机载小光斑激光雷达系统:

北京星天地信息科技有限公司、山西亚太数字遥感新技术有限公司以及广西桂能信息工程有限公司等已经分别引进了高性能的机载小光斑激光雷达系统，并已先后开展了试验和工程飞行。

在今后的几年里，将有更多的商用机载激光雷达测量系统进人中国。

尽管机载激光雷达测量技术的发展已有近二十年的历史，硬件技术也在不断发展，绝大部分属于硬件技术及系统集成的问题已得到解决，已有不少成熟的商用系统，但激光雷达测量数据后处理的研究还相对滞后，目前国际上用于处理机载激光雷达测量数据的软件还不多，主要有TPrraScan,TnpPTT,REAT.M等少数几个，在一些处理环节还需要大量的人工十预，还没有一套非常成熟的、自动化程度高的处理机载激光雷达测量数据的综合性软件。

目前，上述几个机载激光雷达测量数据处理软件基本是由各自的硬件厂商提供的（如Upteeh的REALM软件）。

这些软件的算法都是保密的，对用户来讲是一个“黑盒子”。

随着机载激光雷达测量系统的不断增多，其用户也会越来越多，数据量越来越大，迫切需要一套通用的实用化软件来处理和分析机载激光雷达测量数据，从而生产出各种满足不同需要的数字化产品开发研制一套可靠稳健的机载激光雷达测量数据处理软件将是国际上今后的发展方向之一，许多商业公司以及大学科研机构都投入了大量的人力和财力进行相关的算法研究，希望抢占先机，当然还会有一段路要走。

目前，机载激光雷达的数据处理方面的多数研究还集中于对原始数据的过滤和分类，各种算法都还具有一定的局限性，并不是很成熟。

荷兰nPlft技术大学在植被及建筑物的自动识别与分类以及道路的半自动提取等方面取得了初步成果;融合多光谱数据、GIS数据、航空影像数据进行高层次处理还处于研究阶段，算法复杂，不易进行质量控制;基于激光雷达测量数据的地物提取、城市建模等国际上还刚起步，当前主要集中在奥地利Vienna技术大学、荷兰Delft技术大学、俄亥俄州立大学、德国斯图加特大学、加拿大的卡尔加里大学等。

机载激光雷达测量技术目前主要用于快速获取大面积三维地形数据、快速生成DEM等数字产品，特别是用于测绘森林覆盖区域和山区的真实地形图（PctzoldB，etal，1999，KrausK，etal，1998，PereiraLMG，etal，1999，WehrA，etal，1999，HuY，2003）;将机载激光雷达技术作为一种新的技术手段应用于快速生成城市地区的数字表面模型（DTM），进行地物自动提取，由数字表面模型（DTM）生成数字高程模型（DEM），并进一步建立三维城市模型（3Dcity），也是当前在该领域的一个研究热点;借助于大激光束脚印的回波信号的波形分析进行森林资源普查以及植被参数的测定也是另一个热点力一向。

如今，机载激光雷达测量技术实际上有两个明显的分支，一种是小光斑脉冲侧时激光雷达;另一种就是利用数字化波形技术分析激光束整个回波波形的大光斑激光雷达技术，这种激光雷达可以获取激光目标脚印完整的高程剖面，这种系统主要是用于获取地球森林植被参数以及激光测深等。

目前，绝大部分的机载激光雷达测量的商用系统都是基于小光斑的激光雷达测量，这种激光雷达的光斑小，激光脉冲重复频率高。

对于机载激光雷达测量系统，不同的文献有不同的叫法，归纳起来主要有以下几种:

机载激光测高（Air-borneLaserAltimetry,ALA）（Baltsavias,1999c）、激光雷达（LightDetectionAndRanging,T.TDAR）（Flood,2001）、机载激光地形测绘（AirborneLascrTopographicMapping/AirborneLase-rTerrainMapping，AT,TM）（Krabill,1984）、机载激光测图系统（AirborneLasermap-ping,AL.M）（Berg,2000）、机载激光扫描测量系统（AirborneT.a-serS-canning,ALS）（Wehr,etal,1999）、激光测高（LaserAltim-etry,LA）（Flood,2001）。