莊啟智

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

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攝影測(cè)量與激光雷達(dá)的分析與比較

莊啟智

河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院

攝影測(cè)量，顧名思義，就是采用攝影的方法進(jìn)行測(cè)量工作的一門學(xué)科。激光雷達(dá)雖然價(jià)格高昂，但是采集速度快，效果較好，數(shù)據(jù)量大，近幾年也被廣泛的采用。攝影測(cè)量與激光雷達(dá)的目的都是為了獲取物體屬性及其他信息。

攝影測(cè)量 激光雷達(dá) 獲取信息

1　引言

攝影測(cè)量學(xué)是利用攝影機(jī)獲取的像片，經(jīng)過(guò)處理以獲取被攝物體的形狀、大小、位置、特性及其相互關(guān)系的一門學(xué)科。其主要任務(wù)包括測(cè)制不同比例尺的地形圖和專題圖、建立地形數(shù)據(jù)庫(kù)、為各種地理信息系統(tǒng)和土地信息系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及數(shù)字城市建設(shè)。而且攝影測(cè)量記錄的目標(biāo)逼真、客觀、豐富，在測(cè)量作業(yè)中無(wú)需接觸目標(biāo)本身，在測(cè)量過(guò)程中“可動(dòng)可靜”，即可以測(cè)量動(dòng)態(tài)目標(biāo)和復(fù)雜形態(tài)目標(biāo)，測(cè)量信息可以永久保存并重復(fù)使用。

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。工作在紅外和可見(jiàn)光波段的，以激光為工作光束的雷達(dá)稱為激光雷達(dá)?，F(xiàn)在廣泛采用的LiDAR（Light Detection and Ranging），簡(jiǎn)稱為激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)，具有體積小、質(zhì)量輕，低空探測(cè)性好，分辨率高等特點(diǎn)，但是價(jià)格較為昂貴，不過(guò)隨著科技的進(jìn)步，價(jià)格低廉的便攜式激光測(cè)距儀正逐步發(fā)展。

接下來(lái)本文結(jié)構(gòu)主要分為三部分，第一部分介紹傳統(tǒng)攝影測(cè)量的定義與發(fā)展及分類，第二部分介紹激光雷達(dá)原理、分類及優(yōu)缺點(diǎn)，第三部分主要對(duì)攝影測(cè)量和激光雷達(dá)二者相互進(jìn)行分析與比較并進(jìn)行總結(jié)。

2　攝影測(cè)量

2.1傳統(tǒng)攝影測(cè)量

傳統(tǒng)攝影測(cè)量是利用光學(xué)攝影集攝取相片，通過(guò)相片來(lái)研究和確定被攝物體的形狀、大小、位置和相互關(guān)系的一門科學(xué)與技術(shù)。［2］獲取被攝物體的信息主要包括：最直觀的影像信息、物體的大小與特有屬性信息、位置信息、不同被攝物體間的相互關(guān)系等等。

在攝影測(cè)量過(guò)程中，不需要接觸被攝物體本身，所以很少受到自然和地理等客觀條件的限制，而且可以根據(jù)左、右兩張相片經(jīng)過(guò)內(nèi)業(yè)計(jì)算后獲取物體的三維信息，從平面跨越到了立體層面。

2.2發(fā)展

自攝影測(cè)量發(fā)展至今，可以劃分為模擬攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量這三個(gè)階段。模擬攝影測(cè)量主要以手工為主，機(jī)械為輔，在室內(nèi)模擬攝影時(shí)的過(guò)程，恢復(fù)攝影時(shí)攝影機(jī)及相片的空間方位、姿態(tài)和相互關(guān)系，進(jìn)行幾何反轉(zhuǎn)，在模型表面進(jìn)行測(cè)量。解析攝影測(cè)量是由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展而出現(xiàn)，但是受到計(jì)算機(jī)發(fā)展水平限制，初期價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍較小，但是能保證成果的高精度和可靠性。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是解析攝影測(cè)量的進(jìn)一步發(fā)展，利用數(shù)字化影像在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，研究目標(biāo)幾何與物理特性，獲取數(shù)字和可視化產(chǎn)品。

2.3攝影測(cè)量分類

攝影測(cè)量可以根據(jù)不同的方式進(jìn)行不同的分類。若按照攝影機(jī)平臺(tái)位置的變化可以劃分為：航天、航空、地面和水下攝影測(cè)量。若按照距離被攝物體距離的遠(yuǎn)近可以劃分為航天、航空、地面、近景和顯微攝影測(cè)量。按照成果用途可以分為地形與非地形攝影測(cè)量。

3　激光雷達(dá)

3.1原理

激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光器與接收系統(tǒng)。在測(cè)量過(guò)程中，激光器產(chǎn)生并對(duì)物體發(fā)射激光脈沖，接收器用來(lái)接收反射回來(lái)的脈沖，并準(zhǔn)確記錄脈沖自發(fā)射之時(shí)到接收時(shí)傳播的時(shí)間，又因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器會(huì)在另一個(gè)脈沖發(fā)射前收到前一個(gè)反射回的脈沖，而且可以測(cè)量定其傳播距離。與此將激光器的高度及激光器角度記錄，可以計(jì)算出被脈沖“打”到的點(diǎn)的精確位置X、Y、Z，激光束發(fā)射的頻率很高，每秒鐘可以發(fā)射幾萬(wàn)個(gè)脈沖，所以可以獲取較大數(shù)據(jù)量，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2分類

激光雷達(dá)和無(wú)線電雷達(dá)原理幾乎沒(méi)有區(qū)別，其通常按照所用激光器、探測(cè)技術(shù)或雷達(dá)功能來(lái)分類。可用于雷達(dá)系統(tǒng)的激光器種類很多，其種類比較多，不在詳述。根據(jù)探測(cè)技術(shù)可以分為為直接探測(cè)型和相干探測(cè)型兩種，直接探測(cè)型類似于激光測(cè)距儀，相干探測(cè)型又有單穩(wěn)和雙穩(wěn)兩種類型。而按照不同功能，可以分為跟蹤型、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示型、目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)、成像型雷達(dá)及振動(dòng)傳感型雷達(dá)。

3.3優(yōu)缺點(diǎn)

激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，具有分辨率高，隱蔽性好、抗有源干擾強(qiáng)，低空探測(cè)性好及體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)仍然突出，比如受天氣影響大，假如空氣中浮塵等顆粒物較多，會(huì)對(duì)激光光束產(chǎn)生影響，同時(shí)其激光波束較窄，難以用于搜索目標(biāo)。

4　分析與總結(jié)

將攝影測(cè)量與激光雷達(dá)二者相比較，不難發(fā)現(xiàn)，二者均采用不同的方式對(duì)物體的信息進(jìn)行采集。攝影測(cè)量采用攝影的方式，對(duì)左、右兩張相片進(jìn)行分析可以獲取物體的三維信息數(shù)據(jù)等。而激光雷達(dá)則采用激光光束對(duì)物體進(jìn)行掃描的方式獲取大量的三維信息與屬性數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行三維建模與分析。

攝影測(cè)量與激光雷達(dá)這兩種方法均可用于城市三維信息的采集與建設(shè)中，二者均成為地理信息系統(tǒng)技術(shù)中數(shù)據(jù)采集的重要手段，而地理信息系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、表達(dá)和應(yīng)用的重要平臺(tái)，這些技術(shù)的結(jié)合，給當(dāng)代的測(cè)量與地理信息發(fā)展帶來(lái)了強(qiáng)大的生命力。

［1］ http：//baike.so.com/doc/5799221-6012018.html

［2］ 王佩軍，徐亞明，《攝影測(cè)量學(xué)（測(cè)繪工程專業(yè)）》，武漢大學(xué)出版社，2015：1