車載激光雷達的應用及現狀

張卓彤+王婷

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

【關鍵詞】車載激光雷達 應用 現狀

車載激光雷達已經在很多方面日趨成熟并應用于各領域，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，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。近些年來，三維激光掃描儀已經從固定朝移動方向發展，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。車載激光雷達系統采用車載平臺，集激光雷達設備、RS系統、數碼相機于一體，利用激光掃描和數字攝影技術，獲取道路兩側的高密集度的點云、近景影像數據。三維激光掃描儀的系統傳感器部分集成在一個可穩固連接在普通車頂行李架或定制部件的過渡板上。支架可以分別調整激光傳感器頭、數碼相機、IMU與 GPS天線的姿態或位置。高強度的結構足以保證傳感器頭與導航設備間的相對姿態和位置關系穩定不變。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，更廣的范圍內獲取三維空間數據。車載系統的靈活性和經濟性就越發誘人，其應用前景可謂無限。此外，作為航空測量的補充，車載激光雷達系統是完善三維城市模型等高精度、高分辨率應用的最佳手段之一。

二、車載激光雷達的應用

1.環境科學領域的應用

2001年，我國研制出中國第一臺用于大氣環境監測的車載激光雷達系統。它利用激光雷達進行大氣監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，來監測大氣。由于激光雷達的高時空分辨能力， 以及具有連續、實時、大范圍監測的特點，激光雷達大氣污染測量系統將越來越多地用于大氣污染環境的監測和研究，它已成為大范圍快速監測大氣環境的新一代高技術手段。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激光雷達；這些激光雷達系統的相繼投入使用，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年由安徽光學精密機械研究所承擔，由科技部、中國科學院共同資助成立了我國重點城市環境監測站，并基本實現了大氣等污染物地面定點連續、實時監測。該項目研制開發完成的車載測污激光雷達系統，將成為城市大氣污染預報、預測和預警的關鍵設備之一，并直接用于北京等2008年奧運會舉辦城市的環境監測及研究工作，為奧運建設及活動進行全過程監測與評價以及對突發環境事故進行應急監測和評價，實現SO2、N02等污染物的水平范圍分布和垂直結構快速監測，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構快速監測。

2. 在道路方面的應用

2.1車載激光雷達系統可以用于鐵路的復測

傳統的鐵路復測方法作業效率低、精度差、安全性不高。采用車載激光雷達系統進行鐵路復測是一種新技術，測量時將激光雷達系統安裝于鐵路通勤車或軌檢車的車廂尾端，具有安全性好、作業效率高、能準確直觀反映現場實況的優點。

2.2用于公路的測量、維護、勘察等工作

目前國內在公路勘測方面機載激光應用較多，其服務范圍基本上涵蓋了中國的大部分地區，也涵蓋了公路勘測的各個階段：工可研究、初步設計、施工圖設計、改擴建等。2011年我國在平均海拔4000m的西藏那曲地區，將車載激光掃描技術應用到G317線改擴建項目中。車載激光雷達技術在公路拓寬勘察設計中主要用于數據采集，包括獲取地面點的平面坐標和高程，構建高精度的數字地面模型（DTM），從中提取路線縱、橫斷面數據和結構物空間三維坐標隨著社會經濟高速發展和公路網絡化的形成，公路改擴建項目開始漸增。使用車載激光雷達技術進行拓寬勘測工作，不僅降低外業測量工作量，降低了安全風險，還提高了作業效率，有著常規測量技術無法比擬的優勢。但它也存在一些局限。

3.在地理人文方面的應用

車載激光雷達技術能夠應用于文物保護方面。我國大多數文物的形狀都獨具一格，結構繁瑣，色彩層次較多，若以經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，應盡量少取測量點。因此在這種情況下，如果單純地應用普通測量方法獲取文物的立體圖像就根本無法實現，因而要應用主動的測量手段。利用車載激光雷達技術，可以利用點云數據來準確反映文物內部機構組成。此外，通過系統內建立的三維模型，如果文物遭受損害后能夠快速恢復相應數據。

三、車載激光雷達的現狀

車載激光雷達目前在國際上和國內都有了很多應用，發展前景很被看好。但與航空雷達類似，其核心的IMU依然依靠進口，嚴重制約了國內應用的發展。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據采集，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據，并通過經標定的高速攝像機獲取對應影像用于后續貼紋理等處理。

國內現有北京富斯德公司代理的Riegl VMX-250移動激光掃描系統、北京德可達公司代理的StreetMapper移動激光掃描系統、北京麥格天富代理的Landmark移動激光掃描系統等。這些移動激光掃描系統都是在汽車頂部安裝1-3個經定標的激光掃描儀，并集POS系統（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術研討會”，指出了激光雷達的發展走向。國家十二五計劃中已經將激光雷達數據采集及處理放在了一個重要發展的戰略位置，未來國家將力主發展激光雷達及3S集成的具有自主知識產權的多平臺、多尺度應用；而國際上，激光雷達的發展已經步入了一個新的階段，即由地面、移動車載、航空LIDAR向航天LIDAR轉變。據日本媒體報道，日本富士通研究所于2012年10月29日發布消息稱，已開發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、結束語

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