車載激光雷達的應(yīng)用及現(xiàn)狀

張卓彤+王婷

【摘要】隨著社會科技的發(fā)展，LIDAR激光技術(shù)廣泛應(yīng)用到各個方面。而車載激光雷達對比常規(guī)的技術(shù)具有快速測定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點，因此目前應(yīng)用比較廣泛。本文簡要介紹了車載激光雷達目前的應(yīng)用以及發(fā)展的現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】車載激光雷達 應(yīng)用 現(xiàn)狀

車載激光雷達已經(jīng)在很多方面日趨成熟并應(yīng)用于各領(lǐng)域，且在實際運用中取得了令人滿意的效果，作為典型的測繪新技術(shù)，正在逐步彰顯出它的作用。

一、車載激光雷達的基本信息

車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀，是一種移動型三維激光掃描系統(tǒng)。近些年來，三維激光掃描儀已經(jīng)從固定朝移動方向發(fā)展，最具代表性的就是車載三維激光掃描儀和機載三維激光雷達。車載激光雷達系統(tǒng)采用車載平臺，集激光雷達設(shè)備、RS系統(tǒng)、數(shù)碼相機于一體，利用激光掃描和數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，獲取道路兩側(cè)的高密集度的點云、近景影像數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀的系統(tǒng)傳感器部分集成在一個可穩(wěn)固連接在普通車頂行李架或定制部件的過渡板上。支架可以分別調(diào)整激光傳感器頭、數(shù)碼相機、IMU與 GPS天線的姿態(tài)或位置。高強度的結(jié)構(gòu)足以保證傳感器頭與導(dǎo)航設(shè)備間的相對姿態(tài)和位置關(guān)系穩(wěn)定不變。車載激光雷達彌補了機載激光雷達在地面地物信息獲取方面的局限，能在更多，更廣的范圍內(nèi)獲取三維空間數(shù)據(jù)。車載系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟性就越發(fā)誘人，其應(yīng)用前景可謂無限。此外，作為航空測量的補充，車載激光雷達系統(tǒng)是完善三維城市模型等高精度、高分辨率應(yīng)用的最佳手段之一。

二、車載激光雷達的應(yīng)用

1.環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

2001年，我國研制出中國第一臺用于大氣環(huán)境監(jiān)測的車載激光雷達系統(tǒng)。它利用激光雷達進行大氣監(jiān)測是基于大氣對激光的散射、吸收、消光等物理過程，并通過定量分析激光大氣回波，來監(jiān)測大氣。由于激光雷達的高時空分辨能力， 以及具有連續(xù)、實時、大范圍監(jiān)測的特點，激光雷達大氣污染測量系統(tǒng)將越來越多地用于大氣污染環(huán)境的監(jiān)測和研究，它已成為大范圍快速監(jiān)測大氣環(huán)境的新一代高技術(shù)手段。2004年我國安徽光機所研制出車載式拉曼—米散射激光雷達、偏振—米散射激光雷達和多普勒測風(fēng)激光雷達；這些激光雷達系統(tǒng)的相繼投入使用，為我國大氣氣溶膠、云和臭氧空間垂直分布的測量積累了豐富而寶貴的資料，引起了世界各國的普遍重視。

2004年由安徽光學(xué)精密機械研究所承擔(dān)，由科技部、中國科學(xué)院共同資助成立了我國重點城市環(huán)境監(jiān)測站，并基本實現(xiàn)了大氣等污染物地面定點連續(xù)、實時監(jiān)測。該項目研制開發(fā)完成的車載測污激光雷達系統(tǒng)，將成為城市大氣污染預(yù)報、預(yù)測和預(yù)警的關(guān)鍵設(shè)備之一，并直接用于北京等2008年奧運會舉辦城市的環(huán)境監(jiān)測及研究工作，為奧運建設(shè)及活動進行全過程監(jiān)測與評價以及對突發(fā)環(huán)境事故進行應(yīng)急監(jiān)測和評價，實現(xiàn)SO2、N02等污染物的水平范圍分布和垂直結(jié)構(gòu)快速監(jiān)測，特別是奧運村及場館附近的03、顆粒物水平范圍分布和垂直結(jié)構(gòu)快速監(jiān)測。

2. 在道路方面的應(yīng)用

2.1車載激光雷達系統(tǒng)可以用于鐵路的復(fù)測

傳統(tǒng)的鐵路復(fù)測方法作業(yè)效率低、精度差、安全性不高。采用車載激光雷達系統(tǒng)進行鐵路復(fù)測是一種新技術(shù)，測量時將激光雷達系統(tǒng)安裝于鐵路通勤車或軌檢車的車廂尾端，具有安全性好、作業(yè)效率高、能準(zhǔn)確直觀反映現(xiàn)場實況的優(yōu)點。

2.2用于公路的測量、維護、勘察等工作

目前國內(nèi)在公路勘測方面機載激光應(yīng)用較多，其服務(wù)范圍基本上涵蓋了中國的大部分地區(qū)，也涵蓋了公路勘測的各個階段：工可研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、改擴建等。2011年我國在平均海拔4000m的西藏那曲地區(qū)，將車載激光掃描技術(shù)應(yīng)用到G317線改擴建項目中。車載激光雷達技術(shù)在公路拓寬勘察設(shè)計中主要用于數(shù)據(jù)采集，包括獲取地面點的平面坐標(biāo)和高程，構(gòu)建高精度的數(shù)字地面模型（DTM），從中提取路線縱、橫斷面數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)物空間三維坐標(biāo)隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展和公路網(wǎng)絡(luò)化的形成，公路改擴建項目開始漸增。使用車載激光雷達技術(shù)進行拓寬勘測工作，不僅降低外業(yè)測量工作量，降低了安全風(fēng)險，還提高了作業(yè)效率，有著常規(guī)測量技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。但它也存在一些局限。

3.在地理人文方面的應(yīng)用

車載激光雷達技術(shù)能夠應(yīng)用于文物保護方面。我國大多數(shù)文物的形狀都獨具一格，結(jié)構(gòu)繁瑣，色彩層次較多，若以經(jīng)典測量方法施測需要建立較多測量點，進而對文物造成損害，應(yīng)盡量少取測量點。因此在這種情況下，如果單純地應(yīng)用普通測量方法獲取文物的立體圖像就根本無法實現(xiàn)，因而要應(yīng)用主動的測量手段。利用車載激光雷達技術(shù)，可以利用點云數(shù)據(jù)來準(zhǔn)確反映文物內(nèi)部機構(gòu)組成。此外，通過系統(tǒng)內(nèi)建立的三維模型，如果文物遭受損害后能夠快速恢復(fù)相應(yīng)數(shù)據(jù)。

三、車載激光雷達的現(xiàn)狀

車載激光雷達目前在國際上和國內(nèi)都有了很多應(yīng)用，發(fā)展前景很被看好。但與航空雷達類似，其核心的IMU依然依靠進口，嚴(yán)重制約了國內(nèi)應(yīng)用的發(fā)展。國際一流LIDAR廠商在華代理主要包括：RIEGL、Opthch等。車載激光雷達主要用于城市型數(shù)據(jù)采集，即道路、房屋建筑、海岸線、軌道等地物，通過集成IMU及GPS，可以實時移動獲取掃描數(shù)據(jù)，并通過經(jīng)標(biāo)定的高速攝像機獲取對應(yīng)影像用于后續(xù)貼紋理等處理。

國內(nèi)現(xiàn)有北京富斯德公司代理的Riegl VMX-250移動激光掃描系統(tǒng)、北京德可達公司代理的StreetMapper移動激光掃描系統(tǒng)、北京麥格天富代理的Landmark移動激光掃描系統(tǒng)等。這些移動激光掃描系統(tǒng)都是在汽車頂部安裝1-3個經(jīng)定標(biāo)的激光掃描儀，并集POS系統(tǒng)（IMU+GPS）以及各類高速攝影機。

2010年，我國在北京召開了“第一屆全國激光雷達對地觀測高級學(xué)術(shù)研討會”，指出了激光雷達的發(fā)展走向。國家十二五計劃中已經(jīng)將激光雷達數(shù)據(jù)采集及處理放在了一個重要發(fā)展的戰(zhàn)略位置，未來國家將力主發(fā)展激光雷達及3S集成的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多平臺、多尺度應(yīng)用；而國際上，激光雷達的發(fā)展已經(jīng)步入了一個新的階段，即由地面、移動車載、航空LIDAR向航天LIDAR轉(zhuǎn)變。據(jù)日本媒體報道，日本富士通研究所于2012年10月29日發(fā)布消息稱，已開發(fā)出了水平和垂直兩個方向的檢測角度均可達到140度的激光雷達。適用于檢測汽車后方的車輛等。

四、結(jié)束語

車載激光雷達由于具有快速測定、適合野外作業(yè)、低成本、儀器輕便等特點，隨著汽車的發(fā)展，在測繪新技術(shù)的不斷創(chuàng)新推動下，車載激光雷達作為一種先進的數(shù)據(jù)獲取手段，憑借實用性強、精確度高、數(shù)字化程度高、數(shù)據(jù)采樣率高等優(yōu)勢，必將擁有廣闊的市場前景，因此，對其應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢的研討工作，可以為車載激光雷達系統(tǒng)的改進與完善打下堅實基礎(chǔ)。