前言

从空中和太空观测地球获取影像是20世纪的重大成果之一，短短几十年，遥感数据获取手段迅猛发展。在信息时代，测绘已发展成为地球空间信息学。

地球空间信息学所获取和处理的是随时间和空间分布和变化的信息。摄影测量与遥感是获取这种信息的主要手段。随着技术的进步，人们不断研究和改进遥感数据采集技术，并将其投入应用研究和生产实践。如今，集成了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术等先进技术的机载激光雷达技术具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景，其综合性价比要强于传统的遥感数据获取技术，具有一定的技术优势，正日益成为遥感数据采集技术的一种重要方式。

利用激光作为遥感设备起源于宇宙航天的需要，在航天工程实践中，人们为得到星球之间的距离（地球与月球、卫星与星球等）而研究使用了激光测距设备和技术，并取得了较好的结果。20世纪70年代，在美国的阿波罗登月计划中就成功地使用了激光测距装置。20世纪80年代，以美国和德国为首的发达国家开始积极开展机载激光雷达技术的可行性研究，其标志性成果为1990年德国Ackermann教授领衔研制的在Stuttgart大学诞生的世界上第一个激光断面测量系统。1993年，德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan。

随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术得到了蓬勃发展，欧美等发达国家的许多公司和科研机构投入了大量的人力、物力和财力进行相关技术和系统的研究，并先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。目前生产机载激光雷达系统的公司主要有Leica、Optech、TopoSys、Riegl、IGI、TopEye、TopScan等。机载激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大，其应用的领域和深度也日益拓宽和加深。

我国的学者也投入到了激光雷达技术的研究中，北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光测距—成像系统于1996年完成了原理样机的研制，但该系统距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。我国的中国科学院光电研究院也已经在研制机载激光雷达系统，目前研制进展比较顺利。也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。截至2008年，国内拥有的机载激光雷达系统为15套左右，其中很多都处于性能摸索阶段，没有能够完全发挥其作用。总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和工程实践应用、数据处理等方面都落后于发达国家。

机载激光雷达系统获得的主要数据是三维激光脚点坐标（距离信息数据），形成了数字表面模型（DSM）。由于能够同时搭载其他类型的传感器，现在的机载激光雷达系统还能够获取一些其他形式的地物信息，例如，红、绿、蓝波段的光谱信息，多次回波数据，全波形数据，多光谱数据，等等。机载激光雷达系统的主要产品和应用有：通过滤波生成数字高程模型（DEM）；测绘地形图；绘制石油管道、电力线等专题图；对地面目标进行分类；自动提取高密度城市地区的房屋和道路；三维城市景观模型（并用于虚拟现实）；海岸地带地形测绘，包括沙丘和湿洼地，监测海岸变化及动态侵蚀情况；城市规划；自然灾害三维实时监测；GIS数据采集；土地剖面测量；等等。具体主要包括以下几个方面：

• DEM的获取。这是机载激光雷达技术的主要应用，也是基础应用之一。通过一定的滤波算法，将DSM数据中的非地面点剔除，得到测区的DEM数据。使用这种方法在树林密集地区和建筑物密集地区都有很成功的应用。但是，这些算法大多针对某种特殊的数据，使用针对性参数，不具有通用性。

•基础地理数据的获取。通过机载激光雷达技术来获取城市的建筑物的三维数据，可以用于构建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。目前，这一过程需要大量的人工干预。

•数字城市的建设。数字城市是“数字地球”的一个重要组成部分，其中，建立三维城市模型是关键，已被广泛运用于城市规划设计、建筑物景观模拟、通信基站布网设计等领域。机载激光雷达数据本身就是高密度和精确的三维数据，建筑物的三维重建比用传统方式更容易，也比手工处理更快，具有很广阔的应用前景。

•绘制带状地形图。主要用于工程建设，包括测绘铁路、公路线路图，测绘输油管道图，绘制电力线图，等等。

•沿海地带的测绘。利用机载激光雷达系统来测绘海岸线；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；监测沿海的沙丘、堤坝、防护林的状况；等等。

•灾害调查与环境监测。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，用于制订救灾方案和评价灾害损失。

•林业的应用。机载激光雷达技术在林业方面的应用是比较有效和成功的。激光所独有的穿透性使得我们能够得到森林地区准确的DEM、树木的生长状态、木材的蓄积量等重要参数，这些都是林业部门所必需而传统方法无法精确提供的信息。

武汉大学是国内较早对机载激光雷达技术进行跟踪和研究的机构，很早就在本科生阶段设置了关于机载激光雷达技术的专业课，进行相关技术的介绍。目前已经毕业和正在从事机载激光雷达技术研究的博士和硕士已经多达数十人，有专门的研究所和教师进行相关技术的研究，承担了国家“十一五”863重点项目等多个关于机载激光雷达理论及应用的国家及省部级研究项目。武汉大学遥感信息工程学院还于2007年引进了机载激光雷达系统设备，并已经进行了一些实验和工程项目。

本书是在作者博士论文“机载激光雷达数据处理中若干关键技术的研究”的基础上，结合作者研究的一些项目（包括国家863目标导向类项目机载激光雷达数据处理软件平台，博士点基金机载激光雷达数据处理研究，国家测绘局基础测绘项目机载激光扫描测量应用研究等），遥感信息工程学院引进Lidar设备中的调研工作，以及从事本科生教学工作的研究成果和经验，进行扩充和总结而写成的。

本书详细介绍了机载激光雷达技术的相关基础知识、系统结构、数据获取原理、数据特点和数据处理及应用的主要方法。希望本书能有助于机载激光雷达技术的学习和研究。本书还可以用做遥感及相关专业的本科生教材，以及作为从事遥感教学、科研和生产的参考用书。

由于受编写时间和作者水平之限，全书难免存在缺点甚至错误，欢迎批评和指正。