李奇博士发明突破国外机载LiDAR技术局限，造福中国林业

我国对外开放40年以来，国家基础建设发生了翻天覆地的变化。城市规划、交通、水利、农业、电力等基础行业对规划设计图纸的制作周期及精度越来越高的要求促使我国地理信息产业不断迅猛发展。随着地理信息产业的进步，现阶段除了传统航空影像测量手段以外，机载激光雷达（LiDAR）成为了地理信息数据采集的中坚力量。在影像测绘方面，中国科学院遥感与数字地球研究所的李奇博士带领团队经过不懈努力，研发出了利用机载激光雷达进行航空遥感测绘的最新技术。该技术最终获取的数据准确度和数量上均优于国外机载LiDAR取得的数据结果。

机载激光雷达（LiDAR）是一种新型主动式航空传感器。该传感器通过集成定姿定位系统（POS）和激光测距仪，能够直接获取观测点的三维地理坐标。简单来说，现在的机载LiDAR系统可以记录多次回波，当一束激光从飞机上发射下来，激光的一部分可能会打在高压线上反射得到高压线的坐标点，一部分可能打在树叶上得到树叶的坐标点，最后打在地面得到地面的坐标点。机载LiDAR可以以一秒300kHz的频率采集这些数据得到点云。

图1 机载LiDAR在高压线路采集的点云数据

然而地理信息企业一般只需要地面上的坐标点来为规划设计用户单位制作图纸。以林业企业举例，森林地区交通不方便，传统地面测量方法无法大面积测量森林的具体情况，必须借助机载雷达扫描，现在国内使用的商业机载LiDAR系统基本全是进口，费用高昂不说，精度也是差强人意，国外设备制造商往往将激光探测和量化方法作为商业机密而保密。图2中的树林区域，大量的机载LiDAR点云数据都是树上的点云数据，而不是地面点云数据。

图2 机载LiDAR点云数据

图3 树林区域的点云数据

    如果企业不能有效地判断树林区域哪些点是真正的地面坐标以及这些地面坐标的精度是否可靠，就只能派出外业队伍去实地测量树林区域地面点，这将拉长项目周期，增加企业人工的内业和外业数据处理成本。

图4 在树林区域外业测量

如今，我国人口的年龄结构正在发生巨大变化，人工成本增加、企业利润下滑等一系列问题成为地理信息行业需要攻克的新的难点。企业需要通过技术升级来减少劳动密集型工作，增加技术密集型工作。中国科学院遥感与数字地球研究所李奇博士开发的 “激光雷达波形数据可视化分析软件”使用李奇发明的机载LiDAR波形数据量化分解方法，可以帮助企业减少外业工作量，节约企业成本。该发明使用机载激光雷达测量森林蓄积量，通过分析机载激光雷达波形数据计算出森林林下地形、树高、树木冠层体积和森林郁闭度，大面积精细测量森林的生长情况。

李奇博士独立研发的新型软件实际应用效果优于国外厂家。不仅满足了我国企业的需求，也填补了我国在此技术领域的空白。该软件可以比国外机载LiDAR设备制造商生产数量更多、回波次数更丰富和精度更高的点云数据。以下在一个树林区域（参见图5），使用全球顶级机载LiDAR厂商RIEGL采集的点云数据与李奇博士的软件生成点云数据，并将结果进行对比。

图5 树林区域的点云数据

从表1可以看出该软件生产的点云数量高于国外系统，回波次数是国外系统的一倍以上，有效数据的数量也显著高于国外机载LiDAR，这些优势可以让企业在树林地区获得更多的有效地面点云数据。

表1 高斯分解和系统的比较

从表2可以看出该软件可以让地面点云数据的可靠性提高。其所生产点云的地面高程要比国外LiDAR系统得到的低2.04米，平均高程低0.065米，说明该软件在低矮植被处表现更好，使DEM生产的原始数据质量有更好的保证。

表2 最后一次回波的比较

李奇博士的发明除了获得更高质量的点云数据外，还能让地理信息企业数据处理人员对设备采集的数据精度知其然、知其所以然，提高数据处理效率，并减少外业实测工作量，实实在在的帮助企业降低成本，促进产业升级。