机载激光雷达科普系列（五）

内容摘要：机载激光雷达技术作为摄影测量与遥感领域的一项新兴技术，其工作方式、作业流程以及数据处理手段均与传统的摄影测量与遥感有着很大的不同。在进行机载激光雷达数据处理前，有必要对机载激光雷达系统的组成、定位原理、作业流程以及数据特点等有所了解。

机载激光雷达的系统组成

机载激光雷达系统集成了多种先进技术的复杂系统，他需要多个模块共同协作，才能发挥效能。LiDAR系统由空中和地面两部分组成（Shan，2008）。空中部分包括遥感器平台、激光扫描仪、Position and Orientation System (POS)、多波段传感器、同步控制装置；地面部分包括GPS参考站、离线执行的软件及硬件。
激光扫描仪由激光测距单元、光学机械扫描单元以及控制、监测、记录单元等组成。其中激光测距单元主要是用于测量激光发射器与目标反射点之间的距离；光学机械扫描单元使机载LiDAR系统可以实现对目标表面沿某方向进行逐点测量。POS系统包括GPS接收机和IMU两个部分，亦称GPS/ IMU 集成系统，主要用来获取平台的姿态和位置。整个机载LiDAR测量系统非常复杂，它要求GPS接收机、IMU和激光扫描仪三者协调工作，彼此间要保持精确的时间同步，同步控制装置实现设备之间的控制及同步。另外，机载LiDAR系统配套软件，包括飞行管理软件、数据预处理软件、数据后处理软件。前者负责进行航线规划、作业参数设计、设备控制与实时导航，后两者负责将获取的原始数据解算为标准格式的点云并制作DEM等相关数据产品。

1、遥感平台
遥感平台是指用以搭载LiDAR系统，是系统工作的平台。LiDAR系统最早的平台是人造卫星和航天器，随后人们将系统安装在飞机上，如同航天相机一样使用。如今的先进LiDAR系统更加小巧和耐用，已经在直升机、热气球等搭载平台上成功实现了数据采集。
2、激光扫描仪
激光扫描仪由激光测距单元、光学机械扫描单元以及控制、监测、记录单元等组成。
3、POS系统
POS系统是机载LiDAR系统的关键部分，也是必需包含的部件，其核心思想是采用动态DGPS和INS直接在航测飞行中测定传感器的位置和姿态，并经严格的联合数据处理，获得高精度的传感器外方位元素，从而实现无或极少的传感器定位和定向。

4、同步控制装置
机载LiDAR系统非常复杂，有多种信息数据：DGPS数据、IMU数据、激光扫描数据等其它辅助数据。这些数据以不同的硬件器材进行实时采集和记录，必须通过同步信号保持相互联系、匹配，否则得到的只是一批毫不相关的数据，无法进行进一步后处理，因此要求具有精密的同步系统。一般而言，GPS接收系统、姿态测量系统及激光扫描系统各自有一套性能稳定的精密时钟，这些时钟随时相互检校，保持完全同步状态。如果在系统作业期间，由于某种干扰使得某一刻的数据没有同步，则不影响其后记录的数据之间的同步关系。
5、多波段、多类型传感器
机载LiDAR系统可以直接获得目标的三维空间位置，并通过点云描述目标对象，与传统的摄影测量手段相比，它缺少扫描目标的光谱和纹理信息，利用高分辨率数码相机在获取目标区域点云数据的同时获取地物或地貌的数字影像信息，可以弥补LiDAR在纹理和光谱信息方面的不足，以达到优势互补，因此现在的商业机载LiDAR系统有些集成了录像机或数字相机等多种传感器。这些传感器一般是与机载LiDAR测距传感器安装在一起的，它们采用共同的时序同步控制系统，这样可以通过采集时间将激光回波及各种传感器的数据有机地统一，以利于后续的处理和分析。

[参考文献] 王丽英. 机载LiDAR数据误差处理理论与方法[M]. 测绘出版社, 2013

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