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摘 要：LIDAR是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种新技术于一身的系统，可以根据得到的高精度、高密度的三维坐标数据来还原目标物的三维立体模型。该技术目前主要运用于基础测绘DEM、DOM、DLG生产、精密工程测量、数字城市建设等多个领域，文章主要是介绍了LIDAR的技术原理和在测绘的应用。
关键词：LIDAR；技术原理；测绘；应用
一、LIDAR的技术原理
（一）系统原理。LIDAR，激光雷达技术。该技术可以通过三维坐标数据和实时摄影的数码影片，对实体或是场景进行3D模型的还原，使事物呈现出真实的形态。
以载体为依据，LIDAR技术可以分为两大类，分别是地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。地面三维激光扫描技术的载体是地面，与传统的地面近景摄影测量相似，是通过激光扫描仪、数码相机和GPS，对目标物进行扫描，以获得激光反射回波数据和目标表面影像，然后利用相关软件，构件三维数字模型，并将目标表面影响贴加到模型表面，使目标物更加的精确。对地面三维激光扫描系统进行改装之后，即可在固定设备上使用，同时也可以安装在汽车上，对行程中的场景和空间进行数据采集。机载激光雷达系统是一款由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成的航空测量设备，具有高速度、长距离、高性能的优点，可以对目标物进行同步测量。数据处理方式是利用特定的方程进行计算，最终产生的高密度的三维激光点云数值作为提取地形信息的数据源。
（二）测量原理。相较于普通光波，激光的方向性、单色性、相干性都比较好，并且受到大气环境太阳光线的影响较小，激光测距的数据更为准确。激光射到一个物体的表面反射回去的回波信号被系统接收器接收之后，仪器会计算出从激光射出到接收的时间，记为t，计算激光器到反射物的距离的公式为：距离（d）=光速（c）×时间（t）/2。
机载激光雷达的测高原理是：利用LIDAR系统和GPS获得激光器位置坐标信息，利用INS获得激光方向信息，以此计算出每个激光点的大地坐标，由大量的激光点组成的激光点云成为点云图像。
激光束发射频率不是固定的，既可以是每秒几个脉冲，又可以达到每秒几万个脉冲。以频率为每秒一万次脉冲的系统为例，接收器会在一分钟内记录下六十万个点。另外，LADAR系统还可以记录统一脉冲的多次发射，比如激光束发射到树冠的顶端，然后其中一部分发射到了树枝或是树叶上，甚至是地面上，最终返回。在这组激光束中，有多次返回的点记录，并且可以分层表示。这一特点可以对返回点进行分类和过滤，以获取地面高程、树高以及建筑高度等。
利用机载LIDAR系统来测高，航高不同，但平面精度可以达到0.15至lm，高程精度为10cm至30Cm，地面分辨率可达到几厘米。目前机载LIDAR系统主要用于测绘工程、GIS应用以及数字地图，为其提供准确的空间坐标信息和三维模型信息。
二、LIDAR在测绘中的应用
（一）快速获取数字高程模型。LIDAR技术可以提供高密度、高精度、可直接反映点位三维坐标的激光点云数据。通过一定方式的处理，将人射到建筑物、植物等非地形目标上的点云，然后对其分类和过滤，最后构建不规则三角网TIN，以获得DEM。因为激光点的密度很大，数量众多，DEM的精度和分辨率较高，所以是采集DEM数据最佳方法。
由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM也成为可能，因此它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法，其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。
（二）基础测绘的实施。基础测绘的“4D”产品还有数字线划地图（DLG）、数字正射影像（DOM）以及数字栅格地图（DRG）。DLG和DOM两种产品在产生的过程中需要结合高精度三维信息进行操作。比如：DOM是在DEM提供精确的地形信息的基础上对数字微分进行纠正产生的。而传统的DOM生产方法要通过数字摄影测量进行，但是数字摄影测量的工序繁琐，对设备、技术以及生产人员的专业素质要求都较为严格，远远不如现今DOM生产方式简单。另外，高境地的激光点云数据还能够直接反映出植被和地物的三维信息，这样一来，DLG地形地物的判读和量测就更加精确了，并且采集数据的工作也会变得更简单。
（三）精密工程测量。像电力选线、水文测量、文物考古等工程测量对测量目标的三维坐标信息的精度要求较高，甚至是对三维物体模型的精度要求也较高。而地面和机载LIDAR是这些精密工程测量的最有效的方法，利用数码像片得到纹理信息，并构建目标物模型，然后进行叠加构建三维模型。
比如：在公路和铁路设计上，LIDAR技术提供了高精度的地面高程模型DEM，作为路线设计和施工土方量的精确计算的数据依据。在电力线路设计上，LIDAR技术提供的产品可以作为线路设计的地形和地物要素依据。在植被较多的地方，LIDAR技术可以推算出需要砍伐树木的面积。在电力抢修和维护方面，以LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程作为参考，计算任一线路距离地面的高度。
（四）数字城市建设。在21世纪，各地加紧创建数字城市，即信息化城市。空间信息是数字城市建设的前提，其决定了数字城市的建设方案。LIDAR系统作为数字城市建设的重要技术力量，其产生的高精度和高分辨率的数字数字正射影像和数字地面模型，为数字城市的建设提供了准确的空间信息。
LIDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源。
数字城市需要构建高精度的三维城市模型作为虚拟平台进行城市管理，相较于传统技术，LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描，快速地获得高精度的三维点坐标，利用相关软件进行模型构建和纹理贴加，整个过程方便快速，并且精度高。
（五）水下地形测量。LIDAR系统可以采用了两种不同波长的激光束对水底进行测量。例如：SHOA工一系统在采用红光对水面进行测量的时候，还可以用蓝绿光对水底进行测量，以两种光束的时间差可以计算出水深。一般情况下，海道测量LIDAR能够测量到海底50m处，并且深度和水质的清晰度有一定的关系，水质越清晰，可以测量到的深度越深。
三、结语
LIDAR技术是一种将激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术结合起来，利用激光对目标物进行三维点坐标信息收集，并构建三维模型的技术，其产生的产品具有高精度和高分辨率，主要是用于基础测绘、数字城市建设等方面，在多个行业和领域中发挥了重要的作用。随着LIDAR技术的不断发展，相信不久的将来，LIDAR技术会更加完善，应用领域会更加广泛。
关键词：LIDAR；技术原理；测绘；应用
一、LIDAR的技术原理
（一）系统原理。LIDAR，激光雷达技术。该技术可以通过三维坐标数据和实时摄影的数码影片，对实体或是场景进行3D模型的还原，使事物呈现出真实的形态。
以载体为依据，LIDAR技术可以分为两大类，分别是地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。地面三维激光扫描技术的载体是地面，与传统的地面近景摄影测量相似，是通过激光扫描仪、数码相机和GPS，对目标物进行扫描，以获得激光反射回波数据和目标表面影像，然后利用相关软件，构件三维数字模型，并将目标表面影响贴加到模型表面，使目标物更加的精确。对地面三维激光扫描系统进行改装之后，即可在固定设备上使用，同时也可以安装在汽车上，对行程中的场景和空间进行数据采集。机载激光雷达系统是一款由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成的航空测量设备，具有高速度、长距离、高性能的优点，可以对目标物进行同步测量。数据处理方式是利用特定的方程进行计算，最终产生的高密度的三维激光点云数值作为提取地形信息的数据源。
（二）测量原理。相较于普通光波，激光的方向性、单色性、相干性都比较好，并且受到大气环境太阳光线的影响较小，激光测距的数据更为准确。激光射到一个物体的表面反射回去的回波信号被系统接收器接收之后，仪器会计算出从激光射出到接收的时间，记为t，计算激光器到反射物的距离的公式为：距离（d）=光速（c）×时间（t）/2。
机载激光雷达的测高原理是：利用LIDAR系统和GPS获得激光器位置坐标信息，利用INS获得激光方向信息，以此计算出每个激光点的大地坐标，由大量的激光点组成的激光点云成为点云图像。
激光束发射频率不是固定的，既可以是每秒几个脉冲，又可以达到每秒几万个脉冲。以频率为每秒一万次脉冲的系统为例，接收器会在一分钟内记录下六十万个点。另外，LADAR系统还可以记录统一脉冲的多次发射，比如激光束发射到树冠的顶端，然后其中一部分发射到了树枝或是树叶上，甚至是地面上，最终返回。在这组激光束中，有多次返回的点记录，并且可以分层表示。这一特点可以对返回点进行分类和过滤，以获取地面高程、树高以及建筑高度等。
利用机载LIDAR系统来测高，航高不同，但平面精度可以达到0.15至lm，高程精度为10cm至30Cm，地面分辨率可达到几厘米。目前机载LIDAR系统主要用于测绘工程、GIS应用以及数字地图，为其提供准确的空间坐标信息和三维模型信息。
二、LIDAR在测绘中的应用
（一）快速获取数字高程模型。LIDAR技术可以提供高密度、高精度、可直接反映点位三维坐标的激光点云数据。通过一定方式的处理，将人射到建筑物、植物等非地形目标上的点云，然后对其分类和过滤，最后构建不规则三角网TIN，以获得DEM。因为激光点的密度很大，数量众多，DEM的精度和分辨率较高，所以是采集DEM数据最佳方法。
由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM也成为可能，因此它是解决快速进行DEM数据采集的最有效方法，其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。
（二）基础测绘的实施。基础测绘的“4D”产品还有数字线划地图（DLG）、数字正射影像（DOM）以及数字栅格地图（DRG）。DLG和DOM两种产品在产生的过程中需要结合高精度三维信息进行操作。比如：DOM是在DEM提供精确的地形信息的基础上对数字微分进行纠正产生的。而传统的DOM生产方法要通过数字摄影测量进行，但是数字摄影测量的工序繁琐，对设备、技术以及生产人员的专业素质要求都较为严格，远远不如现今DOM生产方式简单。另外，高境地的激光点云数据还能够直接反映出植被和地物的三维信息，这样一来，DLG地形地物的判读和量测就更加精确了，并且采集数据的工作也会变得更简单。
（三）精密工程测量。像电力选线、水文测量、文物考古等工程测量对测量目标的三维坐标信息的精度要求较高，甚至是对三维物体模型的精度要求也较高。而地面和机载LIDAR是这些精密工程测量的最有效的方法，利用数码像片得到纹理信息，并构建目标物模型，然后进行叠加构建三维模型。
比如：在公路和铁路设计上，LIDAR技术提供了高精度的地面高程模型DEM，作为路线设计和施工土方量的精确计算的数据依据。在电力线路设计上，LIDAR技术提供的产品可以作为线路设计的地形和地物要素依据。在植被较多的地方，LIDAR技术可以推算出需要砍伐树木的面积。在电力抢修和维护方面，以LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程作为参考，计算任一线路距离地面的高度。
（四）数字城市建设。在21世纪，各地加紧创建数字城市，即信息化城市。空间信息是数字城市建设的前提，其决定了数字城市的建设方案。LIDAR系统作为数字城市建设的重要技术力量，其产生的高精度和高分辨率的数字数字正射影像和数字地面模型，为数字城市的建设提供了准确的空间信息。
LIDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源。
数字城市需要构建高精度的三维城市模型作为虚拟平台进行城市管理，相较于传统技术，LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描，快速地获得高精度的三维点坐标，利用相关软件进行模型构建和纹理贴加，整个过程方便快速，并且精度高。
（五）水下地形测量。LIDAR系统可以采用了两种不同波长的激光束对水底进行测量。例如：SHOA工一系统在采用红光对水面进行测量的时候，还可以用蓝绿光对水底进行测量，以两种光束的时间差可以计算出水深。一般情况下，海道测量LIDAR能够测量到海底50m处，并且深度和水质的清晰度有一定的关系，水质越清晰，可以测量到的深度越深。
三、结语
LIDAR技术是一种将激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种技术结合起来，利用激光对目标物进行三维点坐标信息收集，并构建三维模型的技术，其产生的产品具有高精度和高分辨率，主要是用于基础测绘、数字城市建设等方面，在多个行业和领域中发挥了重要的作用。随着LIDAR技术的不断发展，相信不久的将来，LIDAR技术会更加完善，应用领域会更加广泛。