GIS基础-DEM数据采集的系列新技术

基于LIDAR的DSM测量

机载激光雷达(LIDAR)是一个集现代三种尖端技术于一身的空间测量系统。它又分为用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的海道测量LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即:LIght Detection And Ranging - LIDAR。

从功能上讲，LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。

激光本身具有非常精确的距离校正能力，其距离精确度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素外，还取决于GPS及惯性测量部件(IMU)等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展,通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束离散的光脉冲，打在物体上并反射,最终被接收器所接受。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的,传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度、激光扫描角度、从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光始发方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X、Y、Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。例如，频率为每秒一万的脉冲，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4米不等。

有些LADAR系统能记录同一脉冲的多次反射。光束可能先打在树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z坐标的点记录。这个技术不仅可以用于获取地面高程，还可以同时获取树高及建筑物的高度等。

鉴于地形地物的不同，激光束的反射特性也不同，例如用于地形测量的激光将不能穿透水面，并且只能记录很少的有关水面的数据。如需要记录海底地形，则应使用不同参数的LIDAR技术。

合成孔径雷达干涉测量法—InSAR

合成孔径雷达干涉测量，是近十几年发展起来的空间遥感新技术，他是传统的微波遥感与射电天文干涉技术相结合的产物。要通过雷达影像获取目标的高程信息，必须得到由两个“观测点”对同一地域的两幅SAR影像构成立体像对，利用杨氏双狭缝光干涉原理进行处理。

基于多波束声纳的海底地形测量

多波束测深及旁侧声纳系统利用超声波原理进行工作，通过发射和接收声波信号，由声波在水体中的传播时间与声速的乘积即可计算出水深。多波束探头由发射探险头和接收换能器组成，它之所以被称为多波束，是因为有多达60个相互独立的接收换能器，一次声波发射，可由60个接收探头采集60个水深点信号，接收信号由计算机记录。这60个接收换能器呈90°夹角互成1.5°角的扇面分布。这样，它对水下地形测量是以一种全覆盖的方式进行，因此，它与目前常规单波束比较，具有测深点多、测量迅速快捷、全覆盖等优点。正是由于这些优点，它能完成常规方法难以胜任的测量任务，特别是对大比例尺的测绘和特殊要求的水道地形测量，如堤防安全监测、险工险段监测、抛石护岸监测、港口及疏滩工程测量、工程监理监测等

水深测量采用多波束条带方式对水底进行全覆盖测量、多波束系统采集的数据，可以利用其后处理软件(Caris软件)制作各种比例尺的水下地形图，特别是大比例尺(1:500或1:1000)。如果利用常规的测绘方法，不仅费时费力，而且难以满足精度要求，而多波束系统由于其对水下地貌信息一览无余，因此，能满足用户提出的各种比例尺成图的要求，大大地缩短了成图周期。而且可以利用新测图与老测图进行对比，计算其冲淤变化量。整个系统从外业数据采集到室内成图全过程实现了自动化、智能化和数字化。

多波束系统在防洪减灾中的应用具有巨大的经济效益和社会效益。由于多波束系统具有实时监测功能，可以现场监视水下地物地貌的细微变化、因而在堤防安全、溃口、崩岸监测、水下物体摸探及打捞等方面具有其他方法不可替代的作用。例如对龙王庙险段采用多波束系统进行监测，可以从该系统的监视器上清楚地了解堤岸冲刷的状态、抛石护岸的情况等，从而提出相应的对策。对江西省彭泽马湖堤段、九江河段堤防进行监测，为堤防整治加固提供了精确的水下地形资料。