浅谈机载激光雷达技术在数字城市建设中的应用

何川　崔云龙

【摘 要】随着互联网和现代测绘与地理信息技术的不断创新，同时为了满足社会经济的发展和人民生活质量的提高，数字城市建设已成为一个城市发展的战略目标。在数字城市基础地理信息框架的构建中，机载LIDAR（激光雷达）作为一项新的测绘技术，其通过对高速快捷获取的大量点云数据的处理和分析以生产出高精度的3D产品，同时依托其自身的优势和特点正逐渐广泛地应用开来，为数字城市基础地理信息框架的构建提供更高效优质的基础测绘数据。本文主要对机载激光雷达技术的原理和构成以及其在数字城市建设的应用方面做一定的探讨和分析，并结合未来智慧城市的建设提出一些看法。

【关键词】数字城市；机载激光雷达；点云数据；三维建模

1 引言

数字城市在狭义上可理解为是以地理位置和时间为坐标的城市相关信息的集合。数字城市以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以高速宽带为枢纽，以多比例尺空间数据基础设施为框架，将一个城市的各种自然环境、人文、社会、政治、经济有关信息数字化，实现其在网上的信息流通，满足城市合理有效发展的需求。

机载激光雷达测量系统是一种主动式航空遥感装置，是实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获取，并快速、智能化實现地物三维实时、变化、真实形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术。其集激光测距、GPS（全球定位系统）和INS（惯性导航系统）三种技术为一体，在土地利用调查、城市建设管理、测绘、大气深空探测、电网等方面发挥独特地作用。

2 机载激光雷达的组成、工作原理及特点

2.1 机载激光雷达的组成

a.POS系统：POS系统部件测量设备在每一瞬间的空间位置与姿态，其中GPS确定空间位置，IMU惯导测量仰俯角、侧滚角和航向角数据。

b.激光扫描测距系统：机载激光扫描仪部件采集三维激光点云数据，测量地形同时记录回波强度及波形激光扫描仪，是LiDAR的核心，一般由激光发射器、接收器、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。

c.成像装置：航空数码相机，利用高分辨率的数码相机获取地面的地物地貌真彩或红外数字影像信息，经过纠正、镶嵌可形成彩色正射数字影像，可对目标进行分类识别，或作为纹理数据源。

d.平台装置：平台可采用固定翼飞机、飞艇或直升机等航空器。

2.2 机载激光雷达的工作原理

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。

激光器到反射物体的距离（d）=光速（c）×时间（t）/2

激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。结合GPS得到的激光器位置坐标信息，INS得到的激光方向信息，可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成点云图像。

2.3机载激光雷达的特点

a.一种主动式的测量系统；

b.能够穿透植被的叶冠；

c.对地面控制需求低；

d.能够实现全天时全天候工作；

e.高程精度高；

f.提供密集的点云数据；

g. 具有迅速获取数据的能力。

3机载激光雷达在数字城市建设中的应用

机载激光雷达系统可进行大规模DEM的高精度实施获取，直接获取真实地表的高精度三维信息，用于城市道路、堤坝、隧道等复杂目标的实时监测和模型化，是建立三维城市基础地理信息的关键技术。另外其在农业、电力、交通、地质灾害与环境监测方面也有着广泛的应用。

3.1 DEM/DSM/DOM的制作

机载激光雷达能快捷经济地获取高精度的地面高程点云数据，通过进一步对点云数据滤波和分类，得到点云数据分类成果。点云分类成果中提取地面点即可根据一定的规则直接制作成高精度DEM，结合地物点则制作成DSM。通过对获取的影像进行校正融合等处理则可生产出DOM。

3.2 城市三维建模

在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发展的必然，LIDAR系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。具体处理过程效果如图1

3.3地质灾害与环境监测

当前的大规模城市建设也是人类改变自然的一个过程，随着人类社会的发展，地质灾害的发生率也越来越高，面积和范围也越来越广。机载激光雷达数据提供了丰富的地表形态数据，相关职能部门可利用DEM、DEM等做进一步的统计分析，对城市低洼地和城市易积水区进行针对性的改造，也可以对城市淹没区进行分析，提前做好防洪抗洪预案。在山区泥石流和滑坡易发地段，可通过多期观测数据进行分析，做到灾害的提前发现，防患于未然。

3.4 电力规划设计和巡线

对于规划电网线路，通过机载激光雷达测量技术采集和处理的规划沿线数据，为电力线路优化，外业勘测，设计施工提供数据支持与指导。对于已建设电网线路，利用机载激光雷达测量技术采集和处理的电网沿线数据，可以恢复电线实际形状。具体效果如图2

3.5 其他方面的应用

（1）海岸工程的应用：机载LIDAR是一种主动传感技术，能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。

（2）林业方面的应用：激光雷达技术能够精确地获取树木和林冠下地形地貌和农作物信息，在农业、林业调查与规划利用中，我们可以利用激光雷达的数据，分析森林树木、农作物的覆盖率和面积。

（3）另外激光雷达技术在文物保护、重点工程（堤坝、公路、桥梁）设计监测、油气勘探等方面都有着越来越多的应用。

4结束语

21世纪，随着数字城市向智慧城市的转变，对城市规划建设部门而言，更大比例尺和更精确的基础地理信息成果是对这一转变的重要保障。当前，机载激光雷达技术也正在激光辐射源、传感器类型等技术层面取得不断的进步和发展，对未来城市建设和整个基础地理信息构架方面发挥更重大的作用。

参考文献：

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[2]陈松尧，程新文.机载LIDAR系统原理及应用综述[J].测绘工程第十六卷1期.

[3]巩淑楠，陈云，徐敏.机载激光雷达数据处理方法的研究与应用[J].测绘与空间地理信息，第33卷第5期.

[4]王宏伟.浅谈数字城市建设[J].科协论坛，2009年第7期（下）.