简介

机载三维激光扫描系统（Light Detection andRanger简写LiDAR）集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(IMU)等多种尖端技术于一身，是目前最为先进的对地观测系统。它将三维激光扫描仪和航空数码摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取地球表面坐标数据和影像数据。可用于快速生产数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）和数字正射影像（DOM），也可用于城市三维建模、自然灾害评估、资源调查、海洋监测、军事测绘、大型工程测量等各个方面。

与传统航空摄影测量技术相比，该技术具有直接快速获取三维空间数据、数据处理自动化程度高、作业速度快、外业工作省、测量精度高以及作业成本低等特点。同时，它能最大限度地反映地表真实情况，也是目前能准确测定植被茂密地区及沙漠地带地面高程的可行技术之一。对于在森林覆盖率高、地形复杂、通视条件恶劣地区的输电线路工程的电力勘测设计而言，机载三维激光扫描系统更加具有明显的优势。

系统组成

本系统主要包括空中测量平台、激光系统、全球定位系统(GPS)和惯导系统(INS)、小幅面数码相机（DSS）等其他附件及一系列数据处理软件。

各部分作用

机载三维激光扫描系统是继航空摄影测量和GPS测量之后的又一次测量技术革新，是一种安装在飞机或其他飞行器上的激光探测和测距系统。该技术通过地面及机载GPS、惯导系统定位、确定姿态，配以激光测距和数码相机，可快速、准确地获取地面及附属物的三维坐标和数字影像数据。

空中测量平台

空中测量平台是机载激光扫描测量系统进行作业的空中载体和操作平台，主要为直升飞机或其他飞行平台，用来装载机载激光扫描测量系统所需要的各种仪器仪表和操作人员。

激光系统

激光扫描仪是LiDAR的核心部分，一般由激光发射器、接收器、惯性测量系统、时间间隔测量装置、传动装置、计算机和软件组成。

激光器的种类较多，对于不同用途所选择的激光器各不相同。低精度中小项目测量（如公路，铁路，电力）时，一般采用功率较小的激光器，这类激光器虽然测量精度较低，但设备价格相对便宜，且因功率较小，所以对人和动物的伤害较小。

惯性测量系统能够输出传感器的空间位置和姿态数据，主要用来测量飞机的飞行状态，包括飞机的摇摆、倾斜、航向等参数，它每秒能测50～200次。

飞机的飞行高度因航空激光扫描测量系统的不同而不同，其范围为100～3 000 m，相对应的单航带覆盖的宽度范围为70～2 000 m。

其他附件

（1）GPS组件

GPS组件由2个地面基准站和1个空中流动站组成。通过数据采集和数据处理，确定飞机飞行的航迹的三维坐标，能为航空测量瞬间提供测站坐标。

（2）导航组件

导航组件由1个导航GPS组成。导航GPS应能装载航飞任务的相关信息，包括各航线起点、终点坐标，同时导航系统应用图文方式向飞行员和系统操作员提供飞机现在的状态，即飞机现在离任务航线起点终点的距离、航线横向偏差、飞行速度、航线偏离方向、航线在测区中的位置。系统应既能处理区域测量也能处理带状测量。

（3）数码成像组件

数码成像组件由1个通过计算机控制的数码相机组成。它将重叠的24 bit彩色影像存储在移动硬盘上。航片宽度应该调节到与激光扫描宽度相匹配。这些相片通过后处理进行纠正镶嵌形成彩色正射数字影像。

（4）摄像机组件

摄像机组件由1对带时间标记的摄像机组成，一个记录垂直方向的地面情况，一个记录前方与水平方向成20°～45°方向的地面情况。

技术原理

三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统,可进行大面积高密度空间三维数据的采集,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快等特点,且融合了激光反射强度和物体色彩等信息，三维激光影像数据为测量目标的识别分析提供了进一步的研究内容。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值 S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统 Pi，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。由此可得三维激光脚点P 坐标(XS，YS，ZS )的计算公式如下式[1]：

三维激光扫描仪空间坐标示意图

行业现状

在国外，机载三维激光扫描系统广泛应用于基础测绘、军事工业、数字城市乃至农林牧渔。在国内，该技术的应用研究尚处于起步阶段。

发展方向

机载三维激光扫描系统（LiDAR）作为一项先进的三维航空遥感技术，同常规航测方法相比，具有非常突出的优点，但目前的应用受到一些限制，比如相应的数据处理软件的开发，操作标准的制订，数据质量的控制，都需要进一步研究。摄影测量与LiDAR相结合，这是目前LiDAR面临的最大问题。随着数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善成熟，机载三维激光扫描系统必将成为航空遥感领域的主流技术，具有广阔的应用前景和巨大的市场空间。机载激光扫描测量技术将给输电线路设计平台带来一场变革，使输电线路真正走向三维设计，从而使超高压、特高压工程的整个勘测设计流程发生根本性变化。