机载激光雷达的应用现状及发展趋势

机载激光雷达的应用现状及发展趋势（共9篇）

篇1：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

机载激光雷达的应用现状及发展趋势

摘要：机载激光雷达是一种应用越来越广泛的对地观测系统，本文简要介绍了机载LIDAR系统及其测量原理，并重点综述了机载LIDAR的应用现状最后对其发展趋势进行了展望。

关键字 ：激光； 激光器 ； 激光技术 ；激光雷达

一、机载LIDAR的技术原理

机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术，是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物，是遥感测量领域的一门新兴技术。

自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，机载激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，已经被越来越多的学者所关注。迄今为止，机载激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，虽然机载激光雷达无法完全取代传统的航空摄影测量作业方式，但可以预见，在未来的航空遥感领域，机载激光雷达将成为主流之一。进入90年代，机载激光雷达系统进入实用化阶段，并成为雷达遥感发展的重要方向之一。机载LIDAR系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实习对目标的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。其应用已超出传统测量，遥感，以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。

与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离测量可大大提高了数据采集的可靠性抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，只要不存在方向反射，总会有一部分光会反射回去，成为回波信号，被系统的接收器所接收，当仪器计算出光由激光器射出返回到接收器的时间为2t后，那么，激光器到反射物体的距离d=光速c×t2。

在机载激光雷达系统中，利用惯性导航系统获得飞行过程中的3个方位角（ψωκ），通过全球定位系统（GPS）获取激光扫描仪中心坐标（x y z），最后利用激光扫描仪获取到激光扫描仪中心至地面点的距离D，由此可以计算出此刻地面上相应激光点（X Y Z）的空间坐标。

假设三维空间中一点的坐标已知，求出改点到地面上某一待定点P（XYZ）的向量，则P点的坐标就可以由加得到。其中点为遥感器的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量的模是由激光测距系统测定的机载激光测距仪的投影中心到地面激光脚点间的距离，姿态参数可以利用高精度姿态测量装置（INS）进行测量获得的。

利用机载LIDAR系统进行测高作业，根据不同的航高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15至1米，高程精度可达10cm至30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合航射影像和空中数据定位二设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。

二、机载LIDAR的应用现状

机载LIDAR 一高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，已成为世界各国进行大面积数值地表数据测制的重要主流与趋势，其多重反射的特性，可同时获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标，而透水激光雷达系统更可穿透水体而量测水底的地形起伏。其获取的高精度高分辨率DEM，可作为土地利用、工程建设规划、都市计划管理，河海地形、潮间带、集水区、山坡检测，地理信息系统、防灾、矿业、农业、林业、公共管理线等方面数值化、自动化等应用基础。1.数字城市应用

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，也是“数字地球”的要求。因此，对快速获取三维空间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。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。2.工程建筑测量

机载激光雷达测量能够为道路工程及其他建筑项目提供准确的高程数据。机载激光雷达生成的DEM结合GIS及CAD软件，可以是设计人员模拟各种方案以选择出最佳路线或最好位置。对于施工钱的原始预测，DEM结合正射影像可以为工程设计人员提供他们所需的大量地形和测量信息。3.电力设计勘测选线和线路监测应用。

在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。4.灾害监测与环境监测

利用机载LIDAR产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范围，制定灾难减轻方案以及补救措施。典型的一套机载激光雷达系统可以在四小时内用一架固定翼飞机完成长30km区域的勘测。其垂直精度和达15cm，平均点距为1.5m，合计记录了153000000个反映详细地形和地物的数据点。也广泛应用于自然灾害（如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。5.海岸工程

传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。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。6.林业应用 机载激光雷达系统的最早商业应用领域之一即为森林工业，森林业者和国土管理者需要森林及树冠下面的准确数据。在传统技术下，树高与树的密度很难获取的信息。在数据的后处理中，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，根据LIDAR数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积。通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏观调控。7.文化遗产保护

大型的文物古迹和室外的不可以移动文物，需要测量其三维数据，以便进行修复和保护。对于出于恶劣测量环境下或不可直接触摸的文物，LIDAR技术就成为了一种直接获取三维数据的很好的解决方案。8.油气勘探

石油及天然气工业的勘测程序常常需要在短时间内快速传送与地形数据XYZ为准相关的数据。虽然有多种方法处理收集位置数据，但机载激光雷达测量是一种高速且不接触地面的数据获取方法，大多数情况下，从勘探开始到最终数据发送只需要几周的时间。在一些复杂的环境地区勘测，砍伐树木的费用要几千美元一公顷。如用机载激光雷达进行勘测，最多只需要砍伐几行树，这样可以节省大量的经费且减少对环境的影响。

三维激光雷达技术是实现空间三维坐标和影像数据同步、快速、高精度获取的国际领先看空间技术，在采集地表数据方面具有传统航空摄影测量所无法比拟的巨大优势，三维激光雷达技术是即GPS以来测绘领域的又一场技术革新，是高精度逆向三维建模及重构技术的革命，是进行大区域空间探测的利器，是数字中国及各行业数字化的必由之路，将对电网、水利、交通、规划、国土、矿山、海洋、气象、农业、林业、古迹保护等各个领域产生深远影响。

二、机载LIDAR的发展趋势

近几年，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，欧美等发达国家许多公司和科研机构投入了的大量的人力物力和财力进行相关技术和系统的研究，并先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。记载激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大，其应用的领域和深度也日益拓宽和加深。我国的学者也投入道路激光雷达技术的研究中，也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。但总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和实践应用方面都落后与发达国家，为使这项高新技术能够在我国的国民经济建设中发挥其应有的作用，开展记载激光雷达技术的理论和应用研究具有非常重要的理论价值和现实意义。虽然目前已有多种激光雷达系统在使用，但激光雷达仍是一项处在不断发展中的高新技术，许多新体制激光雷达仍在研制或探索之中。在今后的一段时期内，激光雷达的研究工作将主要集中在不断开发新的激光辐射源、多传感器系统集成和不断探索新的工作体制和用途方面。

1.开发新型激光辐射源 目前，在中远距离应用中，波长为1.06μm的Nd：YAG激光器和波长为10.6μm的CO2激光器仍是激光雷达的主导辐射源。近年来随着大功率半导体激光二极管技术的不断完善，在近距离应用条件下半导体激光器的应用也日益广泛。在未来若干年内，二极管泵浦的固体激光器技术和光参量振荡器技术将是新型激光源的关键技术。

利用光学参量振荡器可获得宽带可调谐、高相干的辐射光源，在激光测距、光电对抗光学信号处理等领域以显示出广泛的应用前景。光学参量振荡器的理论最早在1962年由Kroll提出，1965年美国贝尔实验室首先在脉冲激光器上实现光学参量震荡，国际上在70年代建立了完善的参量互作用理论，并在80年代后，随着一些性能优良的非线性晶体的出现，使得OPO技术的研究取得重大突破，OPO技术进入了实用阶段。近年来，随着二极管泵浦的固体激光技术的发展，全固化宽调谐OPO技术得以迅速发展，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重 量轻、可高重复频率工作等特点。美国直升机防撞激光成像雷达和预警机载“门警”系统激光雷达，英国的查分吸收光雷达都是采用OPO做辐射源。可预计，未来将会有更多的OPO激光雷达问世。2..多传感器集成和数据融合

激光雷达的另一个发展方向是成像应用。激光雷达成像具有优越的三维成像能力，其数据处理算法相对简单，不需要多批次图像融合即可得到侦查区域多层次的三维图，与其他成像侦查手段相比，在实效性方面具有不可比拟的优势。与光学和微波成像相比，激光雷达成像在获得侦查区域目标的同时能快速获得目标高程数据，提高对战场的探测能力。激光雷达成像所获得的是目标距离和强度数据，激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视数据图像等其他数据图像的融合在目标物特征提取、识别等方面具有重要的作用。激光雷达数据图像包含目标的位置、体积、形状等三维立体信息，充分反映目标的几何信息。但激光雷达数据由于激光谱线成像，光谱信息单一，不能充分反映目标物的物理属性信息。而可见光数据图像、红外电视数据图像包含丰富的目标光谱信息，但目标的几何信息只有二维的平面位置信息。将激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视图像相融合，实现多传感器集成，可发挥出各自的优势。2.不断探索激光雷达新体制

多年来，对激光雷达新体制的探索工作一直在进行，尤其最近几年研究工作比较活跃，包括激光相控阵雷达、激光合成孔径雷达、非扫描成像激光雷达等。相控阵激光雷达是通过对一组激光束的相位分别进行控制和波束合成，实现波束功率增强和电扫描的一种体制。美国自70年代初开始研究激光相控阵技术，实现一维光相控阵以来，先后研制出多种二维移相器阵列并制成以液晶为基础的二维光学相控阵样机。

合成孔径雷达是利用与目标做相对运动和小孔径天线并采用信号处理方法，获得高方位分辨力的相干成像雷达。利用激光器做辐射源的激光合成孔径雷达，由于 频率远高于微波，对于同样相对运动速度的目标可产生大得多的多普勒频移，因此，很像距离分辨率也高得多，而且利用单个脉冲可瞬时测得多普勒频移，无需高重频发射脉冲。正因为如此，基于距离多普勒成像的激光合成孔径雷达的研究工作受到重视。美国自80年代开始开展了激光合成孔径雷达的概念研究，并进行了原理实验。实验研究采用重复频率为100Hz的TEA CO2相干脉冲激光器，脉宽为150ns，峰值功率为100kw，以单纵横工作，而且频率可调。尽管迄今尚未见到成功的报道，但仍不失为激光雷达的一个发展方向。自90年代初以来，美国Sandia国家实验室一直致力于发展一种新体制激光成像激光雷达不需要机械扫描，而是利用高频强度调制的激光器照射目标，用带向增强器的CCD摄像机接收回波，经过数字信号处理依次提取每个光点的距离信息，形成目标的强度距离三维图像。其特点是简单、可行、体积小、重量轻、可得到高分辨率图像。因而防撞、自主导航、目标识别、自动检验、视景、警戒、监视和地形测绘等军事和民用方面具有广阔的应用前景。

篇2：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

基于机载激光雷达数据的地形图成图技术浅析

首先介绍了机载激光雷达技术,包括机载激光雷达系统组成、原理以及机载激光雷达数据等,随后针对不同的测区条件,提出了基于DEM+DOM以及基于POS辅助航空摄影测量两条技术路线,并分别介绍了作业流程,并通过实验证明了其技术可行性.最后,展望了基于机载激光雷达数据的地形图成图技术在我国测绘行业中的应用前景.

作 者：黄家武 HUANG Jia-wu 作者单位：广西电力工业勘察设计研究院,广西,南宁,530023刊 名：红水河英文刊名：HONGSHUI RIVER年，卷(期)：28(5)分类号：P237关键词：机载激光雷达 激光点云 航空数码影像 数字地形图

篇3：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

无论和平时期还是战争时期, 雷达监视装备在必要保障和及时获知敌情方面一直发挥着重要的作用。未来快节奏的战斗行动对雷达装备提出了更高的要求, 由此引出了新的优先发展和使用方向。相对于航天系统, 机载雷达监视系统具有一系列优势:灵活机动、快速进出战场和热点地区, 成本较低;与地面系统相比, 它可以在距双方接触线更远的地方进行监视, 观察周期性更高, 可选择范围更广, 因此在完成动目标探测、定位及战场指挥任务方面具有重要地位。

1 有人机载战场监视雷达系统市场现状

自20世纪80年代初以来, 世界各国研制装备的主要有人机载战场监视雷达系统包括美国的E-8 (JSTARS) 、E-10 (MC2A) ;北约的AGS;英国的ASTOR等。

1.1 JSTARS (E-8)

JSTARS (联合监视与目标攻击雷达系统) 由美国空军和陆军联合发展, 于1982年进入实际阶段, 并很快被定为优先发展项目。JSTARS采用AN/APY-3多模式侧视无源相控阵I波段电子扫描合成孔径雷达, 阵列平面长7.3 m, 宽0.6 m, 方位为电扫描, 扫描范围120°, 俯仰为机械扫描, 可以发现机身任意一侧50 000 km2地面上种种目标, 然后引导和指挥作战飞机及地面部队发起攻击。为进一步提升该雷达性能, 1998年美军启动RTIP (雷达技术插入计划) 。2000年, RTIP计划被重组, 目标为发展一种模块化、可重构雷达, 项目名称也相应改为MP-RTIP (多平台雷达技术插入计划) 。MP-RTIP采用不同的天线尺寸以适应不同的平台, 其中尺寸为2 ft×24 ft的大型天线应用于E-8C、尺寸为2 ft×18 ft的中型天线瞄准北约AGS项目、尺寸为1.5 ft×5 ft的小型天线应用于Global Hawk无人机。在海湾战争、巴尔干地区的维和行动及阿富汗和伊拉克的军事行动中, 其发挥了重要作用。

1.2 MC2A (E-10A)

E-10A型MC2A项目 (多传感器指挥与控制飞机) 源自MP-RTIP (多平台雷达技术插入) 计划, 即采用不同的天线尺寸以适应不同的雷达平台。2002年空军要求应用一种更大的平台 (B-767-400ER) 来获得更高的性能, 这就是E-10A项目的由来。

MC2A把对空和对地探测综合在一起, 其采用AESA (有源电扫描阵列雷达) , 天线约7.4 m长, 大致与JSTARS相当。AESA是近年发展起来的雷达新技术, 在天线阵列、信号数据处理及微电子技术等方面有大量革新, 性能与传统雷达相比有阶段性的提高, 具有性能稳定、故障率低的特点。AESA的缺点是其关键零部件:T/R组件的价钱很贵, 一个就值几百美元, 一部雷达需要几千个组件。美军坚持选用昂贵的AESA原因是其它体制的雷达难以满足MC2A的指标。将来随着T/R组件成本降低, 价格将有所下调。

E-10A项目最终于2007年下马, GAO (美总审计局) 在2007年5月的一篇文章“Greater Synergies Possible for DOD′s Intelligence, Surveillance, and Surveillance Systems” (《国防部情报、监视与监视系统可能获得的更佳协同作用》) 中, 对其下马原因的分析是“需求不明确、技术不成熟、资金不到位”。

1.3 AGS

由于JSTARS在海湾战争中的表现, 2002年, 北约在布拉格峰会上决定成立TCAR (跨大西洋合作AGS雷达) 集团, 合作开展雷达研制。该计划的主要任务是构建空基雷达监视分散网络, 组织高效的情报通报和进行战场杀伤兵器指挥。该系统的空中部分由4～8架有人驾驶监视飞机和7～9架无人监视机组成, 地面部分包括一定数量的机动站。有人监视机采用A321飞机为原型, 无人监视机为改进型的RQ-4B“全球鹰”无人机。

仅三年后, AGS却基本走向瓦解:2007年7月荷兰宣布不再为AGS项目提供资金;随后北约由于不满对于美国技术的过分依赖而放弃了AGS计划中的A321平台部分, 转而直接购买8架配装MP-RTIP雷达的“Global Hawk”。

1.4 ASTOR

1999年12月, Raytheon公司接到英国国防部的合同, 为其开发ASTOR (机载防区外雷达) 系统, 由5架配装ASARS-2雷达发展型的“全球快车”商务飞机和相应的地面站组成 (6个担负战术任务, 2个担负战役任务) 。ASTOR是一种远程全天候战区监视及目标追踪系统, 这是一种主动扫描阵列雷达系统, 能在两种体制下工作:扫描地面目标和筛选地面移动目标, 但雷达技术水平落后于美最新的MP-RTIP雷达, 其在47 000英尺的最大作用距离是160 km, 交替而不是同时实现SAR (合成孔径雷达成像) 和MTI (动目标显示) 功能。

2 无人机载战场监视雷达系统市场现状

无人机技术在20世纪80年代之前并未受到太大重视。但在贝卡谷地空战、特别是海湾战争中, 无人机发挥了出色的作用并于20世纪90年代掀起了无人机研制的热潮。目前全球研制无人机的国家有30多个, 研制型号有150余种, 已有50多个国家的军队装备了140余种型号的无人机。美国在技术及装备方面处于遥遥领先地位, 目前已投入使用的无人机多达75种、近1 400架, 形成了高、中、低, 远、近, 战略、战役、战术等搭配的无人机作战网络。

无人机可简单分为长航时无人机、战术无人机、战斗无人机、VTOL (垂直起降无人机) 以及微型无人机等。携带SAR雷达系统执行ISR任务的平台主要是长航时无人机, 其中典型的代表为美国的Predator和Global Hawk。

2.1 Predator (捕食者) (RQ-1/MQ-1)

1994年, General Atomics公司获得了美国空军关于执行Tier II无人机的合同, 即中高空长航时计划。计划中开发研制的RQ-1 Predator为长续航、中高度无人机系统, 用于执行监视及监视任务。通过SAR雷达、视频摄像机及前视红外获得的成像可以实时地发送给前线作战的士兵及指挥官;或通过卫星通讯进行全球实时发布。MQ-1装备了AGM-114“地狱之火”导弹 , 可扮演多种角色, 并进行武装监视及封锁。

Predator系统包括4架无人机、地面控制系统和数据分发系统。无人机本身的续航时间高达40 h, 巡航速度126 km/h并装备了UHF和VHF无线电台, 以及作用距离270 km的C波段视距内数据链。其执行了1995年的波斯尼亚监视任务及1999年的科索沃监视任务。Predator可装备的SAR雷达有两种:Northrop Grumman公司的ZPQ-1和Sandia实验室的APY-8。

2.2 Global Hawk (全球鹰) (RQ-4)

Global Hawk最早可追溯至1994年美国国防先进预研计划局 (DARPA) 接手的Tier II+计划。该计划共分为4个阶段:第一阶段始于1994年, 主要实施详细论证;第二阶段始于1995年, 制造原型机;第三阶段始于1997年, 为期36个月, 主要对机载系统进行详细测试;第四阶段则是量产阶段。

Global Hawk可同时携带光电红外传感系统和合成孔径雷达。合成孔径雷达具有一个X波段、600 MHz、3.5 kW峰值的活动目标指示器。该雷达获取的条幅式监视照片可精确到1 m;定点监视照片可精确到0.3 m;对以每小时20～200 km行驶的地面移动目标, 可精确到7 km。一次任务飞行中, “全球鹰”既可进行大范围雷达搜索, 又可提供74 000 km2范围内的光电/红外图像, 目标定位的圆误差概率最小可达20 m。装有1.2 m直径天线的合成孔径雷达能穿透云雨等障碍, 能连续的监视运动的目标。Global Hawk空军型有Block 0、Block 10、Block 20、Block 30和Block 40共计5个批次, 总定购数量不少于60架。Block 20之前的批次采用Raytheon公司的ISS (综合传感器组件) , Block 30执行信号情报监视任务, Block 40将换装MP-RTIP雷达。

从2001年11月1日至于2002年9月28日, Global Hawk完成在阿富汗战区60次的任务, 收集了超过17 000幅照片。弗兰克斯将军这样描述其表现:“Global Hawk无人机在长时间监视、跟踪、识别、附带损伤及打击效果评估方面具有不可估量的价值, 它通常可一次执行超过30 h的任务, 并获取超过600个目标的图像信息。” 而服役于2003年3～4月的伊拉克战争中的1架Global Hawk尽管飞行架次仅占高空侦察飞行架次的5%, 却获取了1 296幅光学图像、1 290幅红外图像和2 246幅SAR图像, 完成了55%“时敏目标”的探测及定位。

凭借无人机系统独一无二的高升限 (18 000 m) 、长航时 (32 h) 、大航程 (18 000 km) 、大载荷 (900～1350 kg) 性能, Global Hawk成为目前执行ISR任务的合理选择, 首批几架样机已经在阿富汗和伊拉克得到应用。除北约AGS计划已确定购买8架Block 40之外, 澳大利亚和加拿大也对RQ-4N表现出极大的热情, 日本、韩国等国家也表示希望购买Global Hawk。

3 机载战场监视雷达系统市场发展趋势

通过对有人和无人机载战场监视雷达系统发展现状的分析, 可判断出机载战场监视雷达系统未来的发展趋势。

3.1 无人机技术发展势头迅猛

在未来一段时间内, 无人机不能取代有人机, 然而一个无法否认的事实是:自20世纪90年代无人机技术呈现井喷式发展以来, 其在战争中发挥的作用已越来越明显, 发展也越来越受到各方重视。美国前总统布什在2001年的一次讲话中说:“无人机可在敌方区域长时间巡航, 收集情报并及时将信息发送给后方指挥官, 然后向敌方发起高精度打击。战争开始以前, 不少人对Predator无人机抱怀疑态度, 因为它与旧的监视模式格格不入。而现在一个明白无误的事实是对于战场指挥官而言, 目前的无人机不是太多, 而是太少了。我们进入了一个新的时代, 那就是各式无人机越来越不可或缺”。2003年2月, 美4大兵种共拥有无人机163架, 仅仅3年以后, 这一数字已经超过1 000。2006年4月C4ISR杂志分析认为:“除了在2007财政年度为无人机发展和购买申请17亿美元经费外, 国防部将在2011财政年前继续花费116亿美元, 这其中包括购买322架无人机”。

通过下图关于无人机市场投资的预测, 可见在2017年前, 世界无人机市场将一直保持平稳增长的态势。

3.2 无人机SAR成为潮流

伴随着无人机的良好发展势头, 无人机载SAR也逐渐成为发展潮流。基于无人机实现战场监视成本低的优势:每架Global Hawk造价约5 100万美元, 由于美空军准备再购买66架, 单价可望降到 2 000万美元左右。相比之下每架U-2造价超过5 200万美元, 而每架E-8的价格更高达2～3亿美元。Global Hawk每飞行小时的成本也仅为U-2的57%。此外, 无人机的使用还避免了人员伤亡及由此引起的政治冲击问题。

在未来10年内, 无人机SAR的投资额将逐渐超过有人机SAR, 而这一趋势目前看不到逆转的迹象。图2为AEROSPACE AMERICA (《美国航空》) 杂志对于从2000年至2016年有人机及无人机SAR投资的分析。

GAO在“Greater Synergies Possible for DOD′s Intelligence, Surveillance, and Surveillance Systems”一文中, 列出了2007～2013年在空基及天基ISR设备方面的预计投资, 几个大的投资项目均来自于无人机 (这些无人机的主要对地监视传感器为SAR雷达系统) 。

3.3 无人机SAR技术性能进步明显, 有成为ISR (情报, 监视及侦察) 中坚的潜力及趋势

20世纪80年代, 由于无人机平台及雷达水平的限制, 无人机SAR (特别是高性能SAR) 在实现上存在技术限制。但近20年来技术的进步已经使得这一状况得以改变。Global Hawk Block30和Block40的作用距离已相当可观。美军近年来特别强调“持久感知”能力, 所谓“持久感知”, 就是指对热点或感兴趣的地区提供大范围、持续不断的高精度目标信息。E-8和U-2等最大续航时间只有10 h左右, 相比之下, 长航时无人机却具有先天的优势。以Global Hawk为例, 当布置于美军在关岛的基地时, 可以飞到中国沿海, 连续进行20～30 h的情报收集, 然后返回基地, 这是其他ISR平台无法比拟的。

Northrop Grumman公司在2008年8月文章“Global Hawk and Persistent Awareness” (《全球鹰及持久感知》) 中, 以2015年～2020年与伊朗的假想战争为背景, 分析了Global Hawk封锁伊朗边界的能力。文章认为:全球鹰 (Global Hawk) Block30因为飞行高度高, 具有比RC-135更强的电子情报侦收潜力, 前者侦收距离可达到300 NM, 后者仅为150 NM。只需要15架飞机 (分成5个小分队) 就可实现对伊朗全境24 h不间断覆盖。通过图3和图4可以看到, 全球鹰 Block30的威力不仅可以覆盖RC-135及J-STARS的威力, 还大大超过其作用范围。

Block40作用距离可达到200 NM, 已经超过E-8的150 NM。15架Global Hawk Block40可基本实现对伊朗周边24 h不间断的覆盖, 而E-8只需要在适当的时候前往一些敏感地区进行监视即可。

就ISR能力而言, 高空长航时无人机的能力不弱于有人机载战场监视系统。除将完全替代U-2监视机, Global Hawk已经对RC-135和JSTARS构成了威胁, 大有成为ISR中坚之势, 后者的明显优势仅体现在指挥和控制能力。

4 结束语

本文介绍了世界各国主要有人机载及无人机载战场监视雷达应用状况;并通过对机载战场监视雷达系统市场发展现状的分析, 指出尽管有人机仍具有相当的应用市场, 但无人机SAR雷达的作用亦越来越明显, 发展也越来越受各方重视。从市场投资预测、现役SAR雷达技术, 包括作用距离、长航时等可以得出无人机SAR雷达将成为机载战场监视雷达的新宠, 是未来的发展趋势。

摘要：现代战争中, 战场情报监视是赢得信息优势的重要手段之一, 机载战场监视雷达因其机动性强及较低成本而成为探测目标和获取信息的主要装备。文中详细介绍了典型的有人及无人机载监视雷达系统的历史背景及服役状况;并从市场投资、现役SAR雷达技术, 包括作用距离及长航时进行分析, 同时对机载战场监视雷达的市场趋势进行了展望。

关键词：机载战场监视雷达,有人机载,无人机载,无人机SAR

参考文献

[1]Greater Synergies Possible for DOD′s Intelligence, Surveil-lance, and Reconnaissance Systems[R].Defense Acquisi-tions.United States Government Accountability Office.GAO-07-578, 2007.

[2] DAVID L, ROCKWELL. SAR for UAVs: The next big thing[J]. Eye on Electronisc, Aerospace America, 2008: 22-25.

[3] ISHERWOOD M, HAWK G, AWARENESS P, Sizing the Global Hawk Fleet[Z], 2008.

篇4：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

关键词：LiDAR；铁路勘察设计，DEM；DLG

中图分类号：TN958.98文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 03-0000-02

Airborne LIDAR Technology in Railway Survey and Design Application and Benefit Analysis

Han Zujie

(Railway Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)

Abstract:Airborne laser radar technology (LiDAR) is a new remote sensing technology,because of its high precision and efficiency,in terms of rapid development of topographic mapping,currently nearly 20 sets of LiDAR systems.This paper studies LiDAR technology in railway engineering survey and design the content,products,and effects,on the basis of aerial photogrammetry and traditional methods are compared to prove LiDAR technology in the railway survey and design of the feasibility and superiority.

Keywords:LiDAR;Railway survey and design;DEM;DLG

一、引言

机载激光雷达技术（LiDAR）是一种全新的遥感技术，自上世纪90年代在德国首次出现商用样机系统以来，因其高精度和高效率，在地形测绘方面得到快速发展。目前，全球已经有几十套商用系统在使用，主要实用系统有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。

上世纪90年代中后期至今，美国、德国、加拿大、澳大利亚、瑞典和芬兰等国家，先后成功应用这项技术进行了地形测量、森林资源调查与评估、三维城市建模等试验与工程实践。特别是芬兰和德国，已经采用这项技术建立了全国或者大部分国土的DEM，达到了理想的效果。目前在国内已经有接近20套LiDAR设备，其中，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、广西桂能信息工程有限公司、广州建通测绘技术开发有限公司以及东方道迩公司等单位已经先后开展了实验和工程飞行，主要用于生产数字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），进而制作线划图（DLG）等。本研究将使用LiDAR技术对铁路勘察工程设计进行研究与试验，介绍其主要产品及应用并对经济效益进行评价。

二、机载激光雷达技术系统构成与工作原理

（一）机载激光雷达技术简介

LiDAR系统是一种新型的综合应用激光测距仪、IMU、GPS的快速测量系统，可以直接测得地面物体各个点的三维坐标。机载的激光雷达系统通常还集成高分辨率数码相机，用于获取目标影像。从功能上看，机载激光扫描系统是基于激光测距技术、GPS技术和惯性导航技术这三种技术集成的一个软硬件系统，其主要目的是为了获取高精度的数字表面模型（DSM）。

目前，LiDAR提供的直接数据产品为：点云数据，DSM，DEM，DOM。经过后处理可以快速生成等高线、高程点、横纵断面图，完成路线设计需要的专项测绘内容（如架空管线的净空、交叉角度测绘等），并提供工程设计模型和景观设计模型等。

（二）LiDAR的主要系统构成

主要系统构成包括：

1.扫描仪组件：激光发射器、激光信号接收器、机械组件、扫描镜及窗口、接口板。

2.设备支持系统：系统控制器、飞机位置及姿态测量系统、检流控制器、激光电源、电源分配器、控制计算机、连接电缆。

3.附属软件：包括项目飞行设计及对记录数据进行后处理（滤波、分类等）处理。

4.控制/显示器：激光发射指标器、音频告警器、电路熔断器、系统诊断数据输出、控制接口。

（三）主要工作原理

通过DGPS（或PPP）和IMU求得航机线上任意采样时刻激光发射中心的空间坐标和设备的空间姿态，内插后能够获取任意时刻激光光束的姿态和发射中心的空间坐标，通过激光测量激光发射中心到地面的距离，可以求得每一个激光脚点的空间三维坐标。另外，利用DGPS/IMU可以直接获取每一张照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后将激光点数据和数码影像进行联合处理得到高精度的正射影像和数字高程模型。

三、机载激光雷达的应用

机载激光雷达能够快速获取数字地表模型（DSM），同时，配套的中画幅数码相机可以获得同步的数码相片，经过加工处理可获得数字高程模型、分类信息、航空相片的立体像对和正射影像图。目前还没有成熟的专业接口供铁路勘察设计工程中使用机载激光雷达成果，因此，如何将机载激光雷达勘测成果与众多设计专业手段无缝结合，从海量基础信息中快速提取或检索有用的信息为各专业设计所用，是机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计的关键。

结合铁路勘察设计特点和工程应用实践，一方面将机载激光雷达技术成果进行加工，提供满足专业应用的专题成果，另一方面，改进专业设计勘察设计流程，提出新的设计理念，以便更加有效地利用海量的基础信息，提高设计质量和设计效率。

利用机载激光雷达技术提供的高精度、高分辨率数字地面模型和正射影像图，结合铁路专业设计要求，主要生产以下几种产品（见图4）：

1.工点地形图。它是针对铁路设计的控制工点，在施工图阶段做的更加详细的勘测工作，以保证设计资料的精度和准确性。如：桥址地形、隧道进出口等；

2.断面图。主要包括纵断面和横断面，一般它们的精度高于地形图的精度。主要用于保证设计线路的平顺性和计算工程数量的准确性；

3.数字正射影像地形图。这是线划图的替代产品，通过将正射影像图叠加等高线、专业调查的地质界线、自然保护区等矢量信息，而形成的一种地形图，它的信息量更加丰富，更加直观；

4.专项测绘。针对特殊的专业需求而進行的详细勘测工作。如：水文断面、涵轴测量、电线垂度等；

5.工程中的土石方自动计算、坡度、坡向的计算等；

6.快速构建三维虚拟场景，城市建模等。

此外，还可利用高分辨率的影像进行专业调查、地质判视等，便于指导外业工作，提高外业勘测的针对性和合理性。

四、技术、经济效益和推广应用前景

（一）机载激光雷达测量技术与常规航测方法的经济比较

1.两种技术手段外业控制测量的比较。LIDAR所需的外业控制点与常规航测外控的比较，以II级地形1：2000航测地形图测绘（常规航测单航带100km）为例。

（1）首级平面和高程控制网工作内容和数量是基本相同的。

（2）LIDAR系统要求每5-7km测量一个平面和高程控制点，每30km测量一处高程校正区，这样100km线路需要布设平高控制点17个，高程校正区3个。而常规航测方法，采用150mm焦距的航摄仪拍摄，需要75个平高控制点；采用210mm焦距的航摄仪拍摄，需要150个平高控制点。

（3）LIDAR系统不因地形等级的变化而改变外业平高控制点的数量（适当的宽度，如不大于10km）。而常规航测方法会随着宽度的增加而成倍增加外控点的数量。

2.横断面切绘的经济比较。以张唐铁路定测为例，相对于采用Lidar技术平均1000-1200个横断面/人天的工作效率，常规航测方法每人每天只能切绘300-400个横断面，可见工作效率提高了3-4倍，对企业发展带来了巨大的经济效益。

3.地形图制作的经济比较。以II级地形1：2000地形图测绘为例。

因为LIDAR具有高效生成DEM的优势，所以在生成等高线、高程点等具有高程信息的地形信息时具有更高的效率，在这个方面，采用Lidar技术平均效率为12-15平方公里/（人.天），常规航测方法每人每天只能测绘2-3平方公里；

航测方法在立体模型下获取（除等高线、高程点之外）矢量信息具有更大的优势，而LIDAR则因其自身离散性获取能力比较弱，适合于小面积的（除等高线、高程点之外）矢量信息获取。

（二）成功案例及分析

经过试验与实践，LiDAR技术已成功用于多个铁路项目的勘测设计项目，减少了内业制图的压力，缩短了项目工期，在铁路各专业使用中反映良好，取得了显著的经济效益。以某工程为例，泛亚铁路某段全长257Km，由于距离遥远，地处国外，而且铁路过境区域存在大量地雷区域，给外业工作带来极大不便。考虑到地理因素和方案局部变动的因素，项目在实际操作中抛弃传统外业测量加航测制图的作业方式，直接采用机载激光雷达系统，一次性获取铁路过境区域长257km，宽4km的雷达点云数据和数码影像数据，利用该数据圆满完成了无外业控制测量情形的1：10000和1：2000的地形图成图任务，不仅避免了人力物力消耗和地雷区作业的危险性，而且在内业成图中，大胆使用数字正射影像地形图代替传统的DLG，取得了制作者和使用者均满意的双赢局面。

（三）推广应用前景

机载激光雷达测量技术具有巨大的发展空间和潜力，作为一种新技术，还有许多发展空间，特别是在数据处理算法以及软件和系统的开发等方面。随着用户数量的增加，其应用领域将越来越广，特别是随着激光技术的进一步发展，将促进机载激光雷达技术的革新。在铁三院于2009年率先在国内将机载激光雷达技术应用于铁路勘察设计并取得巨大成功后，今年铁一院、铁二院、铁四院都陆续定购了机载激光雷达并加大了人力投入，可见由于其精度高、成本低、周期短等特点在铁路行业已经被广泛关注。铁路行业之外，水利、公路、电力、农林等行业也在积极开展相关的研究和应用。

参考文献：

[1]孟宪军.铁路勘察设计虚拟现实技术的研究[J].高速铁路精密测量理论及测绘新技术应用国际学术研讨会论文集

[2]王长进.基于机载激光雷达的铁路勘测技术研究[J].高速铁路精密测量理论及测绘新技术应用国际学术研讨会论文集

[3]高文峰,王长进.铁路勘测中使用机载激光雷达测绘横断面相关问题的探讨[J].铁路航测,2010

[4]高文峰,王长进.GPS基站布设对机载激光雷达精度影响的研究[J].高速铁路精密测量理论及测绘新技术应用国际学术研讨会论文集

[5]徐祖舰.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉:武汉大学出版社,2009

[6]韓改新.机载激光雷达（LIDAR）技术在铁路勘测设计中的应用探讨[J]．铁道勘察,2008,5

篇5：园林花卉的应用现状及发展趋势

现状：

花卉有广义和狭义两种意义：狭义的花卉是指有观赏价值的草本植物。如凤仙、菊花、一串红、鸡冠花等；广义的花卉除有观赏价值的草本植物外，还包括草本或木本的地被植物、花灌木、开花乔木以及盆景等，如麦冬类、景天类、丛生福禄考等地被植物；梅花、桃花、月季、山茶等乔木及花灌木等等。

中国种植花卉的优势表现在种质资源、气候资源、劳动力资源、市场优势、花文化优势等几个方面。“十五”期间，中国花卉种植面积已达64万公顷，比“九五”期末的15万公顷增长326.7％。其中，种植面积5万公顷以上的省有河南、江苏、浙江、广东四省，2万公顷以上的有河北、山东、湖南、甘肃等省。中国花卉面积已占世界花卉生产总面积的三分之一。2005年全国有花卉市场2586个，企业64908个，其中种植面积在3公顷以上或年营业额在500万元以上的大中型企业8334家，花农1251313户，从业人员4401095人，专业技术人员132318人。“十五”期末全国重点花卉产区初步形成，品种结构进一步优化。区域化产业形成了以云南、四川、江苏、浙江、海南为重点的南方热带、亚热带花卉产区；以广东、福建为重点的南方热带观叶植物产区；以浙江、四川、河南、河北为重点的观赏苗木产区；以北京、山东、河北为主的北方花卉产区；以辽宁为中心的东北花卉产区。

2006年至今，中国花卉业借鉴荷兰、美国等花卉大国的发展经验，并结合中国的实际情况，花卉业取得很好的发展，然而，中国花卉业发展起步晚，在发展的过程中存在很大的问题与困难。如：生产面积增加过快、品种结构不合理、市场体系建设不完善、花卉研发严重滞后、专业人才奇缺、病虫害种类多发生严重、花卉质量普遍较低等都制约中国花卉业的发展。对此，花卉业界采取了一些措施，如：加大资金投入改善花卉发展、运用科技发展花卉、聘请花卉专家、因地制宜发挥地方特色花卉等，取得不少成果。

2008年中国云南花卉上半年产量达到创纪录的35.5亿枝，但云南玫瑰出口价格最高仅为0.8元，出口到香港市场之后的零售价格可达20港元，价差高达25倍。趋势：

随着人们生活水平的提高，花卉对生活环境的改善的作用越来越明显，越来越多的人开始关注花卉，2008年奥运会，也无疑给中国花卉业的发展带来巨大的发展机遇，可以预见，花卉业将来有着巨大的发展空间。

中投顾问2009-2012年中国花卉市场投资分析及前景预测报告

篇6：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

近年来, 我国电力行业逐步加强建设力度, 电网改造也在不断进行。架空输电线路的勘测设计已经成为电网建设的重要内容。随着机载激光雷达测量技术的不断发展以及完善, 其以强大的优势在电力行业输电线路测量工程中逐渐得到广泛应用, 并取得了较好的应用效果。

2 机载激光雷达系统组成

机载激光雷达系统通常主要由以下四部分组成:激光扫描仪、飞行平台、定位与惯性测量单元以及控制单元。飞行平台可以选用固定翼飞机、动力三角翼及氦气艇等。定位与惯性测量单元则由惯性测量装置以及差分GPS (DGPS) 等组成。

3 机载激光雷达的工作原理简介

激光雷达的基本原理系通过采用激光器向被探测目标发射激光脉冲, 经过被探测目标的反射或散射后, 激光脉冲返回激光器, 通过对返回激光脉冲进行分析来探知被探测目标。如图1所示。

激光雷达使用的是由激光器发射的红外线, 或可见光、紫外光。激光是以3×108m/s的速度传播的。当仪器计算出光由激光器射出并返回到接收器的时间2t后, 那么激光器到反射物体的距离=光速 (c) ×时间 (2t) /2, 即距离=ct, 再结合激光扫描仪的姿态数据, 即可得到测点的三维坐标。已知空间点Os的坐标 (Xs, Ys, Zs) 及该点到地面点P (X, Y, Z) 的距离, 则地面点P点的坐标和高程很容易得到。

如图2、图3所示机载激光雷达数据采集及数据成果。

4 机载激光雷达的特点

(1) 可以24h全天候工作。激光雷达是主动探测, 不受光照的影响, 可以全天候工作。

(2) 能够穿透植被的缝隙, 同时测量地面点和非地面点。激光波长较短, 可以穿透植被叶冠缝隙, 形成多次回波, 获取的数据信息更丰富。随着传感器技术的发展, 目前的Li DAR全波形数字化仪最多可以获得32次的点云回波, 获得更加丰富的三维结构信息, 如图4所示。

(3) 可直接获取目标的三维坐标。获取数据速度快、精度高, 能够探测细小目标物体。相对于传统摄影测量, 数据获取速度大大提高, 并且获取数据精度较其他航测技术要高。激光的波长较短, 能够探测细小的目标, 如电力线, 而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。由于激光束具有穿透植被缝隙的作用, 且激光可以直接打到地面上, 因此可以获取精确的地物垂直结构信息和精细三维地形信息, 解决传统的摄影测量手段在山高林密地区无法获取高精度DEM的难题。

5 激光雷达测量技术在输电线路测量中解决的主要问题

(1) 实时显示地物的三维坐标及高程数据;

(2) 自动输出拟定路径的平断面图, 并实时显示线路中线及左右边线断面;

(3) 自动量取线路的交叉跨越高度;

(4) 实时显示和输出塔基断面图;

(5) 线路走廊信息统计分析 (数量、面积、高度、长度等) 。

6 与传统航测比较机载激光雷达的优越性

尽管基于航空摄影测量的选线手段相对于人工选线来说是一项较大的技术突破, 但是它仍然存在着作业流程复杂、外业工作量大、平断面精度不高和数据不直观、软件平台不易用等缺点, 从而导致工程设计效率低、工期长。与传统航空摄影测量优化选线技术相比, 机载激光雷达测量技术在输电线路优化选线设计业务中很多方面具有明显优势, 主要表现如下:

(1) 机载激光雷达技术属非接触主动式测量, 直接获取地面三维坐标。激光雷达测量技术获取的激光点云数据是三维的, 数据精度高, 地形细节表现更好。

(2) 植被穿透力强, 高程精度高于平面精度。平断面精度断面点高程误差通常在0.5m以内。

(3) 不受太阳高度角影像。因此, 作业时间的自由度大。

(4) 外业控制点布设量很小。激光雷达测量技术利用机载GPS和IMU形成的POS系统联测, 只需极少的外业布控, 通常几十公里一个布控点。

(5) 外业调绘工作量小。激光雷达测量技术获取的信息更丰富, 处理得到的高精度、高分辨率的DEM数据、DOM数据以及激光点云数据, 使得对地形地物的判读、空间信息的量测 (面积、距离、角度、坡度等) 与获取更加准确和便捷, 有利于在选线过程中对一些重要地物的避让, 譬如公路、村庄、规划区、庙宇、树木、矿区等, 大大减少外业调绘工作量。

(6) 平断面图采集效率高。基于激光雷达测量技术, 线路断面可从DEM数据中自动提取, 平面数据可通过DOM进行快速人工采集, 一些诸如房高、树高、塔高等信息则利用激光点云数据自动提取, 避免了传统航测作业中内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程, 与航空摄影测量优化选线技术相比, 应用机载激光雷达优化选线技术进行平断面采集作业效率提高了50%以上。

(7) 机载激光雷达路径优化选线平台简单易操作。无需配备航空摄影测量所需的专业立体观测设备, 可非常方便地安装在便携机上, 设计人员可在野外现场进行选线, 并根据即时断面数据进行预排杆, 大大提高改线作业效率。

7结语

机载激光雷达测量技术是继全球定位系统以来在遥感测绘领域的又一场技术革命。作为一项先进的三维航空遥感技术, 机载激光雷达测量技术具有快速获取高精度激光点云和高分辨率数码影像的优点。实践表明, 随着其数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善和成熟, 机载激光雷达技术在输电线路测量中的应用将越来越发挥其独特的技术优势。

摘要：城市化进程的加快离不开电力系统的支持, 为了确保社会多个领域的运行与发展, 就必须加强我国电网的建设力度。机载激光雷达测量技术可以快速对线路走廊进行高精度三维测量, 直接采集线路走廊高精度激光点云和高分辨率航空数码影像, 进而获得高精度三维线路走廊地形地貌及地物的精确三维空间信息, 从而为输电线路设计提供高精度测量数据成果。本文将浅谈其在电力线路勘测中的应用。

关键词：机载激光雷达技术,电力线路勘测,应用

参考文献

[1]文华.基于机载激光雷达技术的电力线路测量研究[J].科技资讯, 2015 (09) :35~36.

[2]张芳宁.基于机载激光雷达的输电线路优化技术研究[J].科技资讯, 2011 (06) :128.

[3]张晓东, 窦延娟, 刘平, 等.机载激光雷达技术在电力选线工程中的应用[J].长江科学院院报, 2010 (01) :26~28.

篇7：机载激光雷达测绘技术浅析

【关键词】机载激光雷达；测绘技术；全球定位；激光扫描；空间数据

1.机载激光雷达测绘技术

1.1机载激光雷达测绘技术简介

机载激光雷达技术一般是将机载激光系统安装于飞机之上，主要用于探测地面的三维坐标来生产相应的激光雷达数据影像，通过数据处理及相应软件处理生成相应地面的DEM模型、等值线图及DOM正射影像图。其中，机载激光雷达测绘技术主要是将激光、全球定位、惯性导航、光学技术集于一体运用光学遥感技术进行波段探测，从而可以有效的获取地面物体所反射能量的大小与物体反射波谱的幅度、频率与相位，针对所获取的数据进行及时的处理与定位，进而针对目标物体进行准确的测速与识别。

目前，我国主要将机载激光雷达测绘技术应用于数字城市规划、工程建筑测量、电力设计勘测选线和线路监测、灾害监测与环境监测、林业种植与规划等领域，为我国的社会发展作出了巨大贡献。

1.2机载激光雷达系统

1.2.1机载激光雷达系统的构成

机载激光雷达系统的构成部件主要包括：惯性导航系统、全球定位系统、激光扫描测距和数码成像系统等组成。

1.2.2机载激光雷达系统的功能及原理

（1）惯性导航系统，用于测量扫描装置主光轴的空间姿态参数（ω、?、κ）。

（2）基于动态相位差分技术的全球定位系统，用于确定扫描投影中心的空间位置参数（X0，Y0，Z0）。

（3）激光扫描测距系统，用于测量传感器到被探测目标的距离D；在激光雷达系统中，由发射机发出的无线电波射到空中后，一部分经物体或空气反射后，由雷达的接收系统接收，这部分反射波称为雷达信号，反映从反射无线电波的物体到雷达的距离。

（4）数码成像系统，主要用于获取目标的彩色或红外影像信息。

2.数据处理

2.1确定航迹

地面GPS基站和机载GPS的测量数据联合平差来确定飞机的飞行轨迹。

2.2激光点三维空间坐标的计算

利用随机的商用软件，对机载GPS数据、飞机姿态数据、激光测距数据进行联合平差，得到各测点的三维坐标数据，称之为“激光点云”。

2.3激光数据的噪声和异常值剔除

由于水体对激光的吸收及其他原因，使有些激光测距点无明显的回波信号以及因电路等原因产生的异常距离值，在处理激光测距的原始数据时必须先剔除噪声和异常值。

2.4激光数据滤波

目前用于机载激光扫描数据滤波的方法大部分是基于激光数据脚点的高程突变等信息进行的，主要分为形态学滤波法、移动窗口法、迭代线型最小二乘法、基于地形的坡度滤波等。

2.5激光数据拼接

在机载激光雷达系统作业时，可利用同步获得的影像信息，根据重叠区域的影像可确定航带间的系统误差。此外，为了保证DTM拼接正确，通常采用变系数加权平均法消除航带间出现的随机误差。

2.6激光数据分类输出

数据分类处理完毕后，一些不必要的数据被剔除，数据量将减小，可以以ASCII或二进制形式输出。

2.7坐标转换

利用POS动态定位所提供的定位结果属于WGS-84坐标系，而我们所需要的空三加密结果应属于国家规定的另一套坐标系或地方坐标系，因此必须解决动态定位结果的坐标转换问题，利用地面基站坐标和坐标系间的转换参数进行转换，一般采用GPS基线向量网的约束平差。GPS所提供的是以椭球面为基准的大地高程，必须转换为以大地水准面为基准的正常高，可通过测区内若干已知正常高的控制点拟合建立高程异常模型进行。

2.8影像数据的定向和镶嵌

数字影像先进行解压处理，结合激光扫描测量的DTM数据进行定向镶嵌，形成数字正射影像图。

3.机载激光雷达技术的应用现状

3.1数字城市应用

随着科技技术的快速发展，我国的城市化推进工作不断加快，其中尤以数字化城市建设为重。在进行数字化城市规划的过程中，必然需要通过运用相应的规划软件与技术来有效开展规划工作。二维规划技术已无法满足当前数字化城市的规划需求，而机载激光雷达测绘技术可以有效的实现三维城市形象规划。

其中，机载激光雷达测绘技术主要通过将获取的三维空间数据进行快速的数据处理，对城市进行系统化、全面化、形象化的规划与模拟，进而可以有效避免由于航高、阴影遮挡等限制因素而导致城市规划处理出现误差。由此可见，通过运用机载激光雷达测绘技术进行数字城市规划，不仅可以有效、快速、准确的采集相应的三维空间数据来生成影像，而且可以进行大比例尺地形图规划，以高精度、高自动化水平、高效率方式进行必要的数据获取与测量工作，确保其纹理映射自动化水平以及高效率的房屋建模工作，推进数字化城市的规划工作。

3.2工程建筑测量

如文中所述，机载激光雷达测绘技术具备高精确度，可以为建筑工程项目提供高精确度、高实效性的工程测量数据，确保工程项目按期按质完成。其中，将机载激光雷达测绘技术应用于建筑工程项目施工领域之中，主要是通过应用DEM结合GIS及CAD软件进行影像与数据搜集，以便及时筛选最优化的施工方案。由激光雷达系统对各方案中的施工组织设计及施工线路、施工位置进行测量，从而为工程项目，例如道路施工工程提供大量有效、准确的地形数据，提供工程施工方案设计的有效性。

3.3电力设计勘测选线和线路监测应用

机载激光雷达测绘技术的应用领域还包括电力企业中的相关工程项目之中，包括电力设计过程中的勘测选线与电力线路的实时监控，结合激光雷达测绘技术，可以对电力线路的设计区域中的地形与物体要素进行数据采集，以供线路监测与选线之需，提高电力企业施工的效率与质量水平。

3.4灾害监测与环境监测

根据机载激光雷达测绘技术，它可以生成DEM系统，从而可以针对我国社区进行必要的灾害控制、监测与环境监测。

水文学家可以通过采用激光雷达测绘技术，对我国社区的重大自然灾害进行监测与防治，包括地震、洪灾、泥石流滑坡、风害等，还可以对我国的环境进行实时监控。例如，在降水量大的季节进行洪水范围预测，以便应急消防救助小组根据灾害范围及灾害情况提前设计、组织灾害防治方案与救援组织方案，以便将灾害的损伤降到最低。其中，在一架固定翼飞机上安装一台机载激光雷达系统，可以实现在长30公里的区域之内进行维持四小时的实地勘测，为灾害监测及环境监测提供了重要的数据资料。

3.5林业应用

机载激光雷达系统在我国林业种植与发展方面（下转第22页）（上接第20页）也具有很大贡献。通过运用激光雷达系统，可以提供准确的森林及树冠下面的信息数据。通过数据的后期处理，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，根据激光雷达数据，针对森林中的林木覆盖率与覆盖面积数据进行分析，以便林业管理者掌握树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积，从而促进森林管理工作的规范化与高效化，便于管理者针对森林进行宏观调控与管理，提高其管理水平与管理质量。

4.小结

结合上文中所述，随着科学信息技术的不断发展、改进与成熟，机载激光雷达测绘技术也将随之发展，其应用的领域与深度也将逐渐拓宽、加深。根据当前机载激光雷达市场来看，我国在今后的技术研讨工作中，将主要集中于开发、利用新的激光辐射源、多传感器系统集成和数据融合，通过不断探索机载激光雷达的新体制，力求为我国的社会经济发展作出更大贡献。 [科]

【参考文献】

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[3]王惠南.GPS导航原理与应[M].北京：科学出版社，2003.

[4]陈利，贾友，张尔严.激光雷达技术及应用[N].河南理工大学学报，2009-10-11.

[5]张启峰.激光雷达技术在超高压送电线路工程中的应用研究[J].2009（09）：222-223.

篇8：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

因此, 在整个公路设计过程中, 勘测工作的主要内容包括地形图测量 (初测) 和断面测量 (定测) , 随着测绘技术手段的发展, 以LiDAR为代表的新兴测量技术得到不断关注和应用, 并以其特有的技术优势, 开始逐步替代原始勘测手段。

1 机载Li DAR技术特点

1.1 机载Li DAR系统结构和工作原理

机载激光雷达 (Light Detection And Ranging, Li DAR) 是一种先进的遥感数据获取系统, 其主要由飞行平台、激光扫描仪 (Laser Scanner) 、定位与惯性测量单元 (GPS+INS) 、CCD相机及控制单元等五个部分组成。其中, 控制单元是机载激光雷达系统的关键部分, 其核心作用是保持整个系统的工作同步与协调。

机载LiDAR系统作业时, 通过INS系统采集飞行过程中系统的角元素 (ω、φ、κ) 、通过GPS系统采集激光扫描仪中心坐标 (X0、Y0、Z0) , 最后利用激光扫描仪获取设备中心到地面 (物) 点的距离D, 由此可以计算地面上相应激光点 (X、Y、Z) 的空间坐标为:

另外, 通过系统内部集成的CCD相机, 还可以同步记录地面影像数据, 并可利用INS数据、GPS数据解算得到所有相片的外方位元素, 结合激光点云数据快速生成DOM。

1.2 LiDAR技术与传统航测技术对比

鉴于机载Li DAR技术高效性、主动性、穿透性、高密度/ 精度、和数据产品丰富的特点, 与传统的航空摄影测量技术相比, 机载LiDAR测量技术具有以下优势: (1) 能显著缩短勘测设计周期, 可以一次性完成初测和定测, 满足施工图设计需求; (2) 受天气限制较低, 一般不受云、太阳高度角及能见度影响, 作业天数明显增加; (3) 受植被覆盖影像较小, 可以利用激光雷达的穿透性, 提高地面测量的高程精度; (4) 除进行少量的人工干预外, 容易实现数据的自动处理。

2 LiDAR测量技术关键问题

2.1 航摄飞行设计

航摄飞行设计是在整个激光雷达航测工作中最为重要的一环, 好的航摄设计是整个工作的基础, 能尽可能地保证所采集数据的可用性, 确保数据成果的精度。

在进行航摄飞行设计之前, 本着安全、经济、周密和高效的原则, 以项目成果数据精度要求为目标, 充分分析测区的地形、地貌、机场位置、气象条件等实际情况, 结合LiDAR设备自身的特点, 如镜头焦距及曝光速度、激光扫描仪扫描角、扫描频率及功率等, 同时考虑航带重叠度、激光点距、影像分辨率等, 确定最为合适的航摄参数, 为获取高质量的数据提供基础技术保障。

2.2 坐标和高程转换

机载LiDAR测量技术借助于DGPS双差分或精密单点定位技术能够快速获取地面对象的三维坐标信息。GPS测量的成果为WGS- 84 大地坐标系, 而当前大部分项目普遍采用国家坐标系或工程坐标系。因此只有解决了定位结果的坐标、高程系统转换问题, Li DAR数据才能应用于公路项目的设计。

平面坐标系统的转换通常采用布尔莎七参数法。高程系统的转换比较简单, 实际上就是求取Li DAR数据点位的高程异常, 以实现激光数据的高程系统转换。

2.3 点云数据分类

机载LiDAR技术获取的大量三维离散点数据非常密集, 通常被形象地称为“点云”。由于点云数据包含了地面上所有具有反射特性的地面、建筑物、植被等信息, 因此要开展后期应用必须对先对点云数据进行分类, 以提取出地面、植被、建筑物等不同高度属性的数据。激光点云分类的原理是根据激光点与周围点高程的比较进行的, 目前很多LiDAR后处理软件 (如Terrasolid) 都提供了激光点云自动分类的功能, 但要得到较好的分类结果, 往往还需要一定的人工干预, 特别是山区植被茂密的地区。

公路勘测设计中, 要获得的最终成果是数字地面模型, 即只需要地面点的激光数据, 因此需要把激光点云中的地面和非地面激光点进行分类。经过分类的纯激光地表数据是具有三维坐标值的离散点, 构TIN后即可按规定格网生成DEM。

3 LiDAR技术在公路勘测设计中的应用

3.1机载LiDAR系统作业流程

公里勘测设计离不开大比例尺线划图、DEM和线路纵、横断面数据, 机载Li DAR测量技术应用于公路勘测设计, 不仅可以提高勘测设计的效率, 还能有效提高勘测设计的质量。基于机载Li DAR系统实施公路勘测的主要作业流程如下图1 所示。

3.2 DEM和DOM生产

数据通过精细分类后, 剔除了植被点、噪声点、低点、高点、其它地物点以及水域点后获得精确的地面点, 就可以通过专业软件行进高程重建, 制作出高精度的DEM产品并进行格式转换, DEM的格网大小可以根据工程实际需要进行设置。

由预处理得到的每幅原始影像的外方位元素和相机的内方位元素数据, 结合DEM数据, 便可以快速完成相对定向和绝对定向, 从而完成DOM的生产。用户还可以通过查找影像连接点来重新计算外方位元素, 以提高DOM成果的几何精度。

3.3 绘制DLG

鉴于线路三维设计软件和传统施工图设计对DLG的需求, 目前通常仍需要提供DLG成果。由于机载Li DAR系统配备的数码相机一般都不是专业的航摄相机, CCD幅面较小, 采用立体测图的方法绘制大面积DLG有困难。通用的做法是利用DEM自动生成等高线和高程点、利用DSM提取电力线和通讯线, 再套合DOM进行房屋、道路、水系等重要地物的矢量化, 以形成传统的DLG图。对于植被覆盖严重的地区, 可以适当辅以少量的人工外业调绘作业。

3.4 断面数据采集

公路勘测设计中断面主要用来计算工程数量, 断面的精度直接影响工程数量计算的准确性。传统勘测方法中, 断面通常都是靠人工野外采集, 劳动强度大、效率低, 在危险地区往往会因缺少数据而造成设计不准确。机载Li DAR测量技术可以提供高精度的DEM, 采集断面非常容易, 且自动化程度高、可以极大地提高断面数据采集的效率和准确率。

3.5 机载LiDAR精度分析

从回波的探测原理可知, 激光测距的精度除设备本身的精度以外, 还跟地面的形状和指标有关, 刚性平坦地面由于回波的形状单一, 容易探测, 植被比较密集的区域, 比如杉树林或针叶林里, 形成的回波次数比较多, 回波形状比较复杂, 探测精度相对较低。

根据国内目前利用机载LiDAR完成的数十个公路/ 铁路勘测的应用案例来看, 采用机载LiDAR测量技术实施山区公路勘测, 精度可以达到平面1m、高程0.4m左右, 在地面植被覆盖不是特别严重地区, 完全可以满足JTG C10- 2007《公路勘测规范》的要求。

4 结论

机载LiDAR测量技术将是未来测量发展方向之一, 具有很多独特的优势, 完全能满足山区高速公路勘察设计的精度要求, 也能有效提高勘察设计的效率。但其也有一定的局限性:

(1) 与硬件的发展相比, 激光雷达数据的后期处理软件发展相对滞后, 数量较少, 且算法还很不成熟, 数据处理还需要大量人工干预。

(2) 应用点云数据生产断面面临两个主要问题:一是点云的不连续性, 在关键变坡点处不一定有数据;二是点云分类的准确性, 因分类误差导致断面精度的降低。

(3) 植被的穿透率跟植被的茂密程度有关, 因此要注意选择适合的季节进行航飞, 才能获得较为理想的数据。

参考文献

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[2]张小红.机载激光雷达测量技术理论与方法[M].武汉:武汉大学出版社, 2007.

[3]喻雄.机载激光雷达在山区高速公路勘测中的应用[J].测绘通报, 2011 (2) :31-34.

[4]黄华平, 李永树.机载激光雷达测量技术在铁路勘测中的应用[J].测绘, 2010 (5) :216-218.

[5]陈楚江, 王丽园, 等.基于机载激光雷达的公路勘察设计[J].交通科技, 2010 (7) :11-13.

篇9：计算机应用的发展现状及发展趋势

【关键词】计算机应用 发展现状 发展趋势

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0013-02

一、概述计算机应用技术

1. 计算机应用技术的基本概念

计算机应用技术的概念。所谓的计算机应用技术就是指研究计算机应用于社会中各个行业和领域的理论应用、技术应用、方法应用以及系统的一门边缘性的学科，它是计算机的组成的很重要的一部分，它也是促进计算机学科与其他学科有效融合的一个载体。通常情况下，计算机应用的分类一般分为数值计算领域和非数值应用领域这两大类，这两大领域都具备着自身独特的特点，但对于促进科学技术的进步都是有着重要的作用的。

2. 计算机应用的发展现状及存在的问题

计算机广泛应用于社会各个领域，计算机应用技术在我国最早出现大约是1945年，这个时候计算机的应用还处于数值领域时期。经过约5年的发展，我国计算机才逐步走向非数值领域，但还没有实现大众化，只是应用于工商业、企业和数据处理等领域。到1970年后，计算机才被广泛地应用到社会经济各领域，并且走向家庭生活中。最近几年，网络技术凭借计算机得到了快速的发展，同时也促进了计算机应用技术和信息化社会的发展。

（1） 计算机应用不平衡

当前，国内计算机应用因地区经济发展水平的不同，不同信息化指数的高低相差很大，东西部地区与香港、台湾澳门等地区互联网和计算机的普及相差也很大。

（2） 社会应用

第一，社会交往方式的改变。随着计算机和网络的发展，人们间的交往通过网络瞬间就可以实现信息的传递，不受时空的限制，给人们的生活带来了极大的便利。学校可以通过电脑进行远程教学，学生通过网络可以学习更多其他的知识。第二，促进社会信息化。通过计算机应用可以实现数据的存储和资源的共享，对促进社会信息化有很大作用。现在很多企业都会开展电子商务。第三，推动教育发展。目前计算机在教育方面的应用主要是两种：多媒体化和网络化。

（3） 计算机应用存在的问题

1）水平低。当前，我国计算机应用技术在教育方面和发达国家还有很大差距。

2）对信息产业的研发投入不足。现在我国计算机应用技术还无法满足现实需求，重要领域的计算机应用系统多引进国外的信息系统，主要是因为我国对信息产业的研发投入不足。

二、计算机应用的发展趋势

1.微型化

无论是工作、学习使用，还是生活、娱乐使用，现在的人们更希望计算机可以在性能不断提高的同时，硬件的体积变小，以方便外出携带。如现在使用较多的平板电脑、智能本和上网本，甚至一些智能手机等，都给人们极大的便利。通过这些设备，人们可以随时随地上网、玩游戏、看电影和办公等。因此微型计算机具有更高的性价比，因此其将受到更大的欢迎。

2.网络化

目前，信息技术获得了快速发展，计算机也越来越普及，各种家用电器也开始走向智能化，未来有可能实现家电与计算机之间的网络连接，计算机可以通过网络调控家电的运作，也可以通过网络下载新的家电应用程序，从而提高家电的性能。同时利用互联网也可以远程遥控家中的家电，在办公室就能让家中的电器工作，为生活提供便利。

3.智能化

现如今，人们对手机的要求大都是需要智能化。而计算机智能化的发展主要体现在模拟仿真技术上。设计制造出高性能仿真机器人，代替人去一些人类无法达到的地方，完成科学研究和深海勘测等是未来计算机的一个发展方向。

4.巨型化

这里的巨型化的计算机与微型化计算机并不矛盾，巨型化主要是指计算机的运算速度更快、运算精度更准，同时它具备功能性更强以及储备容量更大的特点。

三、结束语

综上，计算机应用技术影响社会生活的方方面面，极大的促进了社会各行各业的发展。不仅为企业提供了先进的管理系统，而且也为教育提供了现代化的教学手段。随着计算机应用技术的发展，将会促进计算机应用教育的数字化、智能化和网络化。网络时代的到来，是教育面对前所未有的挑战，也为教育提供了一个开放式的平台，对于实现教育资源的共享和教育公平起了很大推动作用.

参考文献：

[1]侯晓璐.浅析计算机应用的发展现状及趋势[J].科技创新与应用，2012.

[2]张华.浅谈计算机应用技术的发展与应用[J].现代农业，2012.

[3] 马忠锋. 计算机应用的现状与计算机的发展趋势[J]. 黑龙江科技信息. 2011（07） .

[4] 褚凡君. 浅谈计算机应用现状和发展趋势[J]. 科技创新与应用. 2016（08） .