机载激光雷达技术现状及展望

来源：《地理空间信息》2017年8月

作者：赖旭东，李咏旭，陈佩奇，杨婧如，祝 勇

第一作者简介：赖旭东，教授，博士生导师，主要研究方向为机载激光雷达技术、地理变化检测与分析技术。

摘 要：介绍了LiDAR 系统的特点，与航空摄影测量技术进行对比。总结当前LiDAR 硬件系统和数据处理的现状和主要趋势，以期对国内用户在仪器选型和行业应用中提供帮助，对我国LiDAR 硬件系统研制和数据处理软件开发提供借鉴和参考。

关键词：LiDAR ;点云 ;分类 ;变化检测

机载激光雷达(LiDAR)技术是将激光测距设备、GNSS设备和INS等设备紧密集成，以飞行平台为载体，通过对地面进行扫描，记录目标的姿态、位置和反射强度等信息，获取地表的三维信息，并深入加工得到所需空间信息的技术。自上世纪90年代初在德国出现首个商用LiDAR系统后，其研究和应用得到极大发展。国内LiDAR技术的研究开始时间比国外大约晚10 a^[1，2]，随着研究的深入和硬件技术的发展，LiDAR技术在我国有了巨大发展。最近在武汉大学举办第四届全国激光雷达大会，参会人员近600名，参展的国内软硬件厂商十余家，大多涉及机载LiDAR技术的研究和应用，充分展现了当前LiDAR技术的蓬勃发展态势。本文对当前我国LiDAR市场的主要硬件、软件及产品的指标和性能进行分析，并对行业应用现状和发展趋势进行分析和展望。

1、LiDAR的技术特点及与相关技术比较

1.1 LiDAR的技术特点^[3]

　　1)主动获取数据能力。LiDAR是主动发射激光，探测地物回波而确定地表信息，不受太阳高度角以及天气影响，理论上可以进行全天时全天候的数据采集，这对于应急和气象条件差的地区的作业非常有利。

　　2)穿透能力。LiDAR激光能够穿透薄的云雾，获取目标信息;其激光脚点直径较小，且具有多次回波特性，能够穿透枝叶间的空隙，得到树冠、树枝、地面等多个高程数据，有效克服植被影响，精确探测真实地形地面的信息。

　　3)外业工作量小。LiDAR集成POS系统，使用差分GPS和INS集成系统进行定位，只需少量地面基站即可完成定位，节省了大量外业工作量，对于无人区等困难区域的数据采集非常有利。但LiDAR系统对数据采集方案设置要求比较高，很多项目就是因为方案设计缺陷而造成精度没有达到设计要求。

　　4)精度较高。LiDAR 数据的精度较高，尤其是高程精度优于平面精度。就目前的技术能力和生产实践来看，LiDAR 技术能够满足生产1 ︰ 1 000 比例尺产品的精度要求，但如果需要更高的精度，要增加很多质量控制手段和外业工作量，成本将急剧上升。有些项目要求10 cm 以下乃至mm 的精度，这对于LiDAR技术而言实现比较困难。

　　5)处理速度快。LiDAR 系统直接得到三维点云数据，经过去噪得到DSM 数据，再经过滤波得到DEM数据。这些处理的自动化程度都很高，只需要很短的时间和少量人工编辑就能完成。此外，基于三维点云的建模与空间分析等也能快速实现。

1.2 LiDAR 技术与航空摄影测量技术比较

　　航空摄影测量是传统摄影测量技术的代表。LiDAR 技术出现后，有学者认为其将取代航空摄影测量技术。也有学者认为，随着影像匹配技术的成熟与发展，使用航片匹配出的三维点云密度要远大于LiDAR 的点云密度，其精度也能优于LiDAR 脚点的精度，因此LiDAR 技术将会慢慢消亡。就目前发展状况来看，LiDAR 技术并没有挑战航空摄影测量技术的实力，但由于其特点与优点，其已经成为航空遥感的重要技术，是航空摄影测量技术的重要补充。

　　1.2.1 相同点

　　1)二者都是以航空飞行器为遥感平台，在平台上安装遥感设备，对地面目标进行数据采集，得到遥感数据;

　　2)二者都能够得到DSM、DEM、DOM 和DLG等基础测绘产品，需要进行目标识别和分类等处理;

　　3)二者的处理流程相似，都有粗差去除，地物目标识别，分类，数据压缩，断裂线探测以及数据管理，产品分发等内容;

　　4)二者都是目前测绘遥感获取基础测绘数据的重要方法，都紧跟相关技术，通过与POS、通讯、数据压缩、信号分析、图像处理、计算机视觉等相关专业的紧密结合而不断发展。

　　1.2.2 不同点

　　由于成像机理和采集到的原始数据的不同，机载激光雷达技术与航空摄影测量技术也有很多不同点。主要性能比较见表1-4。

2、市场主要硬软件产品

2.1 主要硬件产品

　　早期的商业LiDAR 产品主要由国外垄断，价格十分昂贵。随着硬件技术的发展，很多国内厂商也开始集成LiDAR 系统出售。但总的来说，在固定翼的大飞机平台上的高端设备还是以国外产品为主，国内厂商主要瞄准了无人机等轻小型飞行平台上搭载的LiDAR 设备市场。

　　LiDAR 设备的指标很多。很多参数，例如带宽、密度、平面和高程精度等是飞行高度、扫描角、发射频率、扫描频率等的函数，而温度、湿度、人眼安全、测距精度、额定功率等对航线设计的限制不大。本文针对常见机载LiDAR 设备列出最基本的性能参数，如表5^[4-9]。

2.2 LiDAR 硬件的发展趋势

　　LiDAR 技术的发展主要是硬件引领。目前，硬件技术的发展前沿和趋势主要如下：

　　1)型号细分。早期生产商只是提供一种型号的主打LiDAR 设备，通过对参数性能的微调来满足不同项目的需求，但由于各种性能相互制约，很难精确满足某些特殊要求。为此一些厂商将LiDAR 产品型号细分，针对不同需求提供专门的型号。例如，自ALS70 系列开始，Leica 公司就提供3 种不同型号的设备，以分别满足高、中、低空航摄的需求(图1)。国内的很多公司也专门针对无人机平台制造了相应型号的产品^[10]。

　　2)多激光器LiDAR 系统。借鉴倾斜摄影思路，一些公司将多套激光发射装置集成到一套LiDAR 设备中，相互之间形成夹角，从而扩大扫描宽度，增加点云密度并实现多角度扫描。图2 是Riegl LMS-Q1560设备示意图，系统使用两个相互夹角为28°的激光发器对地面进行扫描^[6]。

图1 Leica 公司ALS70 系列产品

图2 LMS-Q1560 设备扫描示意图

　　3)多波束LiDAR 系统。传统的LiDAR 系统主要针对陆地地表信息采集所用，其波长位于近红外附近(如Leica、Optech 等公司的主流产品)。随着用户的增加，很多用户的应用目标不仅是陆地表面，还有水域、森林等，而探测这些目标有其最适宜的波段，例如，对水底的探测就应该使用绿光波段，这样才能穿透水体^[11](近红外激光会被水吸收)。值得一提的是，搭载绿光波段的测深LiDAR 系统在国外应用较好，我国由于水质较差，测量深度有限。

　　4)无人机LiDAR 系统。随着无人机低空遥感技术的兴起，针对其需求而研制的无人机LiDAR 系统也大量出现，尤其是国内厂商大多重点研发此类产品。一方面是我国的无人机低空遥感市场的需求，另一方面也是由于此类LiDAR 系统要求相对较低，国内厂商容易赶上国外厂商的脚步。由于重量和体积的限制，无人机LiDAR 系统的精度有限，在数据采集和处理时需要增加外业工作量以保证精度，同时，带宽较窄，采集效率较低。因此，无人机LiDAR 系统目前只是在一些特定行业有较好的应用。

　　5)组件式LiDAR 系统。LiDAR 系统传统上都配备光学数码相机，主要用于提供目标的纹理信息。随着用户的增加，很多需求不仅需要纹理信息，还需要特定光谱的信息。例如，林业应用就需要高光谱数据的配合使用。有些需求，需要高精度的测量相机等。因此，组件式、可插拔的LiDAR 系统也是一个重要的发展方向。可以针对不同的应用目标，快速装载或卸载对应的传感器。图3 是武汉大学与中科院上海技物所等单位研制的组件式LiDAR 系统样机。

图3 组件式LiDAR 系统方案及样机

　　6)一体化LiDAR 探测模式。基于激光测距设感技术已成为当前遥感的重要内容，星载、机载、车载和地面的激光雷达设备已经非常成熟。此外还出现用于室内激光测量的推车式、背包式系统，如在狭窄街道测量的装载在三轮车、摩托车上的激光测量系统，以及用于铁道测量的装载在火车车厢上的激光测量系统等，不仅有助于探测不同特点的空间目标，而且可以对同一目标进行综合探测，提供不同角度、密度、大小的点云数据。这种多平台、多角度、多特征的激光雷达探测方式，成为一体化LiDAR 探测模式，这对于更全面和细致地描述和理解空间目标具有重要价值。

2.3 市场主要软件产品

　　LiDAR 软件研发工作比硬件发展要落后。美国摄影测量与遥感学会(ASPRS)发布通用的LAS 格式后，不依赖于硬件厂商的通用LiDAR 数据处理软件才得以发展。目前市场上的LiDAR数据处理软件大致有如下类型：

　　1)专业LiDAR 数据处理平台。由专门的数据处理软件公司研制，提供LiDAR 数据处理的全部功能，通用型和稳定性比较好。目前市场上主流LiDAR 数据处理软件是TerraSolid 公司生产的TerraSolid 系列软件,占有绝对领先的市场份额。由于其基于Microstation 平台开发，在支持大数据量以及整体价格上令人难以接受。国内也有类似公司提供相应的软件。

　　2)通用平台的LiDAR 数据处理模块。很多通用遥感数据处理平台提供了LiDAR 数据处理模块，例如Esri公司的ArcGIS 平台软件提供LP360 模块; Intergraph、Autodesk 等公司也有相应的LiDAR 数据处理模块。这些模块都依赖于其支撑平台，独立性较差。尤其是很多模块需要将点云数据转换为其平台使用的数据格式才能方便使用，转换后会丢失很多点云数据的优势和特点。

　　3)硬件厂商配备的处理模块。一些硬件制造商也有自己的LiDAR 数据处理模块，这些模块功能较弱，大多集中在浏览场景、检查密度等一般性功能。在面对更专业的应用时，厂商会推荐用户使用通用或专业的数据处理软件。也有一些国内厂商在生产硬件的同时，研发了功能较为全面和强大的LiDAR 数据处理软件，例如，北京数字绿土、武汉海达数云等。

　　4)科研单位的数据处理软件。很多科研单位都专注于LiDAR 数据处理和产品生产，研发一些软件。这些软件大多从底层开发，具有LiDAR 数据处理的基本能力，同时在不断试验和完善新的算法和功能，由于没有面向市场，其稳定性和通用性等较差。

2.4 LiDAR 数据处理软件的发展趋势

　　相对硬件技术的快速发展，LiDAR 数据处理的软件技术有些落后，影响了LiDAR 技术应用的深度和广度。总的来说，有如下趋势：

　　1)加快处理速度。LiDAR 数据体量较大，个别文件多达数G，在处理时需要充分发挥GPU、集群等硬件性能，同时还需要有好的数据组织、优化算法等，这样才能保证数据处理的快速、高效，体现LiDAR 技术的优势。

　　2)提高产品质量。目前LiDAR 数据产品已经能满足一般需求，但很多细节不完善。例如，能够比较快速地生产DEM，但在整个过程中需要大量的参数设置，这些参数大多是经验值，要反复试验，不仅耽误时间，还常常因为参数的不妥造成产品质量较差，需要大量手工编辑;生产DOM 也是如此，精配准、接边、匀光等步骤都需要熟练作业员人工干预。因此，研制好算法，提供好交互工具、质量检查方法等，是未来完善LiDAR 数据处理软件的重要趋势。

　　3)丰富数据产品。LiDAR 数据已经能够生产所有的基础测绘产品，也能提供一些其他的三维信息产品，但还远远不够。如何充分发挥三维点云数据的优势，与行业相结合，生产更多的专题产品，是LiDAR 处理软件面临的巨大挑战。这不仅需要在理论和算法上创新，更需要深入行业，掌握行业应用的需求和规律，实现产品的创新。例如，铁三院针对铁路行业的需求和LiDAR 数据的优点，研制生产了数字正射影像地形图(图4)，满足专业需求^[12]。

图4 数字正射影像地形图

　　4)提升多源数据处理能力。正如LiDAR 硬件向着一体化LiDAR 系统发展，LiDAR 软件也应该向着能处理多种数据源的方向发展。不仅包括不同平台的点云数据的处理，还要能处理多时相的点云数据，以及多时相的光学等传感器的数据，这样才能更好实现信息提取、目标识别和变化检测等功能，为包括地理国情监测等在内的各项行业应用服务。

3、总结和展望

　　目前LiDAR 硬件技术飞速发展，行业应用不断拓展和深入，激光遥感技术正处于快速发展阶段。在具体研究和应用中，需要注意的重点有：

　　1)实践性的基础研究。LiDAR 技术是实用型技术，最终目标应满足用户生产需求，但目前还有很多基础问题需要在生产实践中不断实验才能解决。例如，点云密度问题。DEM 生产行业规范规定点云的密度要求，但在实践中该密度很难保证产品质量;有些单位则要求达到每m2 几十个点的点云密度，增大了数据采集的困难和成本，也带来数据处理的不便。因此，有必要研究不同产品对点云密度的最低要求。这个问题不仅取决于产品的质量需要、生产便利，还取决于成本控制以及硬件能力，需要不断在实践中研究和修正。

　　此外，基站布设、质量控制等生产问题也存在上述情况，其解决方法不仅需要理论的论证，更需要生产的实践。

　　2)创新性的应用研究。目前，LiDAR 数据主要用于生产基础测绘产品和简单的三维产品，而这些产品目前已有成熟的技术、方法、流程和规范。因此， 很多生产单位无法认同LiDAR 技术的先进性，这是目前急需突破的关键。值得注意的方向是基于LiDAR 数据和DEM 数据的三维变化检测，如果能有突破，将会对LiDAR 技术的应用带来巨大进展。

　　参考文献

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