激光扫描测量技术克服了传统的测量技术限制，无需合作目标，采用非接触主动测量方式直接获取高精度的三维数据，能够对任意物体进行扫描，具有扫描速度快、测点密度大、测量效率高、测量精度高、主动性强、不受白天和黑夜限制等优点。三维激光扫描测量技术被誉为“测绘领域继GNSS技术之后的又一次技术革命”（原玉磊，2009）。根据激光系统测量平台的不同，可分为地面固定式三维激光扫描、车（船）载激光扫描和机载激光扫描。

1.地面固定式三维激光扫描测量技术

地面固定式三维激光扫描测量是通过在地面固定测站架设三维激光扫描系统对目标物体进行扫描测量来实现的。地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、数据处理平台及电源和其他附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息获取手段。

三维激光扫描仪主要是由一台高速精确的激光测距仪和一组可以引导激光并以匀速角速度扫描的反射棱镜构成。激光测距仪主动发射激光，同时接收经自然物体表面漫反射后，沿几乎相同路径返回的反射信号，从而得到每一个测点的斜距S；精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值φ和纵向扫描角度观测值θ。根据获取的斜距和扫描角度数据（图8-1），即可得到测点在扫描仪坐标系（X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，构成右手坐标系）下的三维坐标。若结合测站点的已知地理坐标，即可将测点从相对坐标转换到地理坐标系下。此外，根据反射信号的反射强度，与经过校正的彩色相片相结合，还可得到激光点的颜色匹配信息。

图8-1　扫描坐标计算原理

测点在扫描坐标系下的坐标计算公式为：

2.车（船）载激光扫描测量技术

车（船）载激光扫描测量是通过车（船）载激光扫描系统对目标物体进行移动式扫描测量来实现的。车（船）载激光测量系统主要包括车辆或船只、车（船）载稳定平台、主控计算机、时间同步控制系统、激光扫描仪组、CCD相机组、GNSS模块、IMU（惯性测量单元）、测量信息数据库等。

车（船）载激光测量系统将多传感器集成到车（船）载平台上，在载体行进过程中，扫描仪在垂直于行驶方向作二维扫描，以载体行驶方向作为运动维，构成三维扫描系统；GNSS/IMU构成组合导航系统，实时提供平面位置和运动姿态参数；CCD相机同时进行彩色图像连续采集。经过上述多传感器数据融合后输出具有绝对地理坐标及色彩信息的三维场景，可以快速获取大范围的点云模型并实现与GIS系统的数据对接。

3.机载激光扫描测量技术

机载激光扫描测量技术通过机载激光扫描系统从空中向地面发射激光束来探测地面、海面或海底上的物体，后两种称为机载LiDAR测深技术，后面将详细叙述，这里先以陆地测量为例来简要介绍机载激光扫描测量原理。(www.daowen.com)

机载激光扫描系统（Airborne Laser Scanner，ALS）是一种集激光、GNSS和惯性导航系统（INS）三种技术于一体的系统，用于获得数据并生成精确的DEM（张永合，2009）。系统组成包括激光测距仪、GNSS接收机、惯性测量单元（IMU）、激光器机械扫描系统、数码相机和配套的计算机及其软件。

系统工作原理为：通过飞机上搭载激光扫描设备，沿着飞机飞行方向对地物实现激光沿航线的纵向扫描，再通过扫描旋转棱镜实现横向扫描；同时，利用GNSS定位系统提供的飞机精确位置信息和INS提供的飞行姿态数据（航向、侧滚、俯仰和加速度），可获取大范围带状区域内的地物点云数据（李树楷，2000）。系统工作原理如图8-2所示。

图8-2　机载激光扫描系统工作原理图（Carms，2010）

机载LiDAR测深的优点主要体现在以下几个方面：

①浅水测量能力较强。最小探测深度可达0.15m，可实现船只无法到达的浅水海域的水深测量。

②测深效率与海域水深无关。常规的多波束测深系统测幅一般为水深的4～8倍，而机载测深的测宽是固定的，仅与飞行高度及宽度比有关，在飞行高度为600m的情况下，扫宽能够达到320m。

③测量效率高，测点密度大，测量成本低。据统计，在浅水中机载LiDAR测深的成本仅为多波束的6%～10%；多波束系统每小时可以测量0.5km2海域，而机载LiDAR测深系统可以完成8～12km2的测量任务，且测点密度能够达到分米级（Niemeyer，2014）。

④可以高效地获得水上水下一体化地形数据。机载LiDAR测深通过近红外激光获得陆地及水面高程，蓝绿激光探测水底，大大提高了水上水下一体化地形无缝拼接的效率，如图8-3所示。

图8-3　水上水下数据一体化无缝拼接效果图（Steven，2007）

目前，陆地上的激光探测已经达到相当完善的程度。然而，在海洋领域由于受海洋环境因素的制约，其应用程度尚不及在陆地广泛。