自大疆禅思L1发布的消息引爆朋友圈以来，把机载激光雷达的价格打下来不再是一句戏言。平价激光雷达的普及也将导致无人机测绘的再次改革。与倾斜摄影不同，激光雷达采集的点云数据是直接通过激光发射器获取的地面点点位数据，激光器可以接收到植被间隙反射回的数据，测绘用户更容易获取DEM数据。在一些特殊的飞行场景，使得激光雷达具有无与伦比的优势。为了迎接航测新技术的挑战，笔者决定查阅文献资料从零开始学习激光雷达技术，并且分享学习心得，如有谬误，烦请指正。

1.什么是激光雷达？

激光雷达（Light Detection and Ranging，即Lidar）是激光探测和测距的简称，是一种综合应用激光测距仪、IMU、GNSS的新型快速测量系统，属于基于激光的遥感测量技术。

2.机载激光雷达的基本原理

将激光对准物体表面，计算激光返回发射点所用的时间进而计算出距离，通过定位系统GNSS和高精度姿态测量装置IMU获得投影中心的坐标和姿态参数，利用空中三角测量的原理即可计算出激光脚点坐标。

3.机载激光雷达系统的组成

主要分为四部分：激光扫描仪、全球定位导航系统GNSS、惯性导航系统INS、中心控制单元

激光扫描仪：主要构造由激光发射器、信号接收器、传动装置和时间测量装置构成，主要原理是激光测距。

全球定位导航系统GNSS：测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据可以得到接收机的具体位置。

惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）：利用陀螺和加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的旋转角速度和加速度，通过坐标内的计算，最终得到运动体的相对位置。惯性系统中负责姿态测定的陀螺和加速度计等惯性元件总称为惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）。通常一个IMU有三个加速度计和陀螺，加速度计用来检测物体在载体坐标系中三轴的加速度信息，陀螺用来检测载体相对于导航坐标系中的角速度信号。

中心控制单元：机载激光雷达系统中的中心控制单元能够控制和协调其他组成部分以实现各设备之间的精确同步，同时接收并存储采集到的高速数据。

4.机载激光雷达的应用

（1）DEM获取。这是机载激光雷达的基础应用之一，通过一定的滤波算法可以将DSM中的非地面点剔除，得到测区的DEM数据。并且因为其具有一定的穿透性，同样在树林密集的地区同样适用。

（2）基础地理数据的获取。通过机载激光雷达获取城市的建筑物的三维数据，可用于构建GIS数据库和对已有数据库的地理数据进行变化检测和更新，并且广泛运用于城市规划设计、建筑物景观模拟、线划图的获取。

（3）电力巡检。国内的电网规模不断扩大，很多输电线路地形复杂，导致传统的人工巡线受地形环境、人员素质、天气状况等不确定因素的影响，效率低，复巡周期长，巡检数据准确率低。使用无人机巡检的效率大概是人工巡检效率的8-10倍。激光雷达巡检可以根据釆集点云数据，构建电力走廊环境的三维模型。在模型基础上进行危险点判断，例如树木障碍，外表破损，还可以对电力线进行数字建模，评估输电线路的最大风偏、最大弧垂。预测可能出现故障的线路，避免事故的发生，减少经济损失。

（4）林业监测。机载激光雷达可以直接获取森林的三维垂直分布信息，将获取点云数据进行三维可视化分析，可以获取单株树木的树冠高度，树木高度等参数；激光雷达可以通过统计树冠顶部，计算单位面积的林木总数进而得到林分密度（林分，指内部特征大体一致而与邻近地段有明显区别的一片林子）；还可以采用一定的数学分析方法，对林木总量进行估计；还可以利用激光雷达技术进行单木分割（单木分割是指从海量的激光雷达点云中识别出每一棵树，是提取森林参数的重要前提）。

（5）灾害调查和环境监测。利用机载激光雷达测量的快速、全天候和高精度的特点，可以在灾害发生后迅速获得灾害现场的具体情况，从而快速提供可靠的灾害损失数据，用于制定救灾方案和评价灾害损失。

（6）沿海资源调查。利用机载激光雷达系统来测绘海岸线以及水下地形；对海岸侵蚀的情况进行监测；利用不同频率激光束的穿透性来测量近海的水深；监测珊瑚礁、鱼群等的情况。

5.机载激光雷达的主要特点

（1）作业环境受天气情况影响小，晴天阴天或夜间均可作业；

（2）和倾斜摄影测量相比内业数据处理效率高，出成果快，且不需要控制点；

（3）能够与一些目标发生作用，通过相应的分析技术，能够探测到目标的特性，且波长短，可以对极小的目标进行探测；

（4）激光脉冲对植被具有一定的穿透作用，可以很大程度上减少植被枝叶遮挡等造成的信息损失，获取森林地区的真实地形数据；

（5）获取的数据可能存在错误，比如激光打在空中的鸟类或其他飘浮物，甚至未覆盖的深井都会导致错误数据，即粗差，所以使用数据前要进行粗差探测与去噪。