前言
激光雷达可能是近十年来在主流的地图制图（topographic mapping）领域引入的最重要的技术手段，该技术的最主要的优势在于能够直接地进行三维数据的采集，并且由于厘米甚至是毫米级别的激光测距精度以及由集成于系统平台的POS系统提供的精准的姿态信息，使得该技术具备较高的精准度（accurate）。相比较于传统的摄影测量方法（photogrammetric methods），LiDAR能够直接采集具有高分辨率的密集点云数据，这些数据能够直接地用到一些基础应用当中。但是对于激光雷达数据的潜力以及能力的挑战，从根本上来说是和传统的摄影测量的方式是不同的。在过去的几十年中，在该领域有许多显著的发展成就，主要是由于多学科的交叉研究（multidisciplinary research），包括有计算机视觉，计算机图形处理，电子工程以及摄影测量等。因此（consequently），传统的（conventional）基于影像的摄影测量和视觉的方法正在逐渐(gradually)地适应（adapt to）这个新的课题（the new subject），最初的方面主要关注于点云数据的采集、标定、配准以及信息提取。
自lidar应用以来，虽然有很多的研究和应用，但是还没有一个完整的综合的介绍出现（a comprehensive compilation is still missing），首先，描述激光测距和扫描的基本原理和基础概念；其次，反映当前的激光扫描技术、系统以及数据采集方法的发展现状的介绍；再次，表达数据处理的方法以及当前在不同领域的进展情况，这一点可能是最大的挑战。这样的一个整理一直都没出现。本书最初的目的是满足这一需求，同事为激光雷达的研究、学习以及相关教育提供一个参考的手册。
本书内容主要有四大部分组成，每一个部分关注激光雷达技术和数据处理的一个方面。第一部分，从第一章到第三章，初步介绍的激光雷达系统，并对激光雷达系统做一综合性概括，在进行一个简要的（concise introduction）激光雷达介绍之后，第一章介绍了两种激光测距方法，分别是脉冲式测距原理和相位式测距原理（time pulse method and phase comparison method）,以及激光轮廓线和扫描的概念，除此之外还有对于激光测距技术的一些其他概念，例如安全等级、回波能量、光束发散以及反射率等概念。第二章和第三章介绍了重点介绍了机载或星载激光雷达系统以及地基激光雷达系统，第二三章节都包含了一个简短的历史回顾以及激光雷达系统的分类（taxonomy），并在此基础上，对激光雷达设备的组成、工作方式、主要特征等进行了详尽彻底的（thorough）介绍。
第二部分主要介绍了在一个lidar系统中各个单元的运行原理以及测距方式。第四章讨论了激光雷达系统的工作方式以及在集成系统当中的各个子单元的工作方式。同时对地理配准和标定的原理和实践应用也进行了介绍。最终介绍了一个DTM的生产流程，包括飞行计划的制定、设备的安装调试、数据的采集处理。为了最高效地应用lidar系统， 第五章介绍了激光雷达的潜在应用，以及所采集数据的小城。对激光测距方法，包括有波形记录（waveform recording）以及单光子探测（single-photon detection）技术进行了介绍。重点介绍了在地基激光雷达在进行植被覆盖以及森林管层结构的特征提取当中，不同的距方法之间的关系、设备参数以及数据的高程特征。第六章以直接的地理配准技术的介绍为开始，该章节的讨论主要集中于惯导系统INS，该系统对于记载激光雷达数据的获取精度具有重要意义，与此同时介绍了激光测距系统、GPS系统以及INS系统的集成原理。第七章主要介绍了小光斑激光雷达，并重点介绍了全波形分析。这些章节详细介绍了设计一个激光了雷达系统、模拟发射的激光脉冲的空间及瞬时的(temporal)特性，探测脉冲回波以及从全波形数据提取地物特征。
本书第三部分的主题是随后的（subsequently）激光雷达数据的几何处理，主要关注于处理的质量、精度以及标准。第八章开头介绍了表面表达的一些基本概念。并且研究了在将多组数据融合成为一个整体数据的过程中，进行航线拼接（strip adjustment）的主要影响因素。讨论的内容涵盖了数据驱动（data driven）以及系统标定的基本方法。第九章介绍了激光雷达系统数据质量控制以及标定的过程。第十章介绍了数据格式、组织方式、存储模式、标准以及从实用的观点看这些因素在数据处理过程中的影响。
第四部分是关于激光雷达数据的信息提取方面。作为该部分的起始章节，第十一章关注于提取地形表面，重点介绍了在地物分离方面不同的滤波算法以及各自的效果。地形结构线（terrian structural lines）在地面模型生成过程中的作用也被讨论到，因为关系到数据的保真度（fidelity）和质量（quality）。第十二章主要介绍了激光雷达在森林测量（forest inventory）当中的广泛应用。包括了用户需求，在林业应用当中的激光散步，管层高度反演，以及数据匹配精度。除了数目和林木参数的反演，使用多时段的激光雷达数据来进行变化检测的可行性在此也进行了讨论。第十三章介绍了使用原始的三角测量方法来保证激光雷达数据和影像数据的匹配精度。第十四章到十八章介绍了城市环境下的特征提取研究。这个动态的话题从不同的学科的视角都引起了极大的关注。方法包括有RANSAC（random sample consensus）和霍夫变换（Hough transform）进行特征的提取（第十四章）。使用聚类方法进行分割和重建（第十五章、十六章、十八章），多源数据集的联合（第十六章、第十七章），区域生长（第十六章、第十八章），图分割（graph partition）（第十四章、十七章），以及基于规则的方法（第十六章），虽然以上章节都拥有独立的质量评价，第十九章介绍了一个关于建筑物提取质量的总体概述，基于一系列有组织的相关因素（based on an organized joint effort of different participants）。综上所述，基于以上相互独立却又相关联的内容，从不同的视角 为读者提供了一个广阔的讨论空间，包括有原理、系统组成、操作、数据处理以及信息提取。
本书的目标读者是广泛的，并且希望能够成为研究生级别的学生的参考用书，在不同学科领域的学生都可以参阅，比如测量学、地质学、资环、城规、计算机等方面，对于感兴趣的研究人员，本书能够在其开发新的关于激光扫描和数据处理的研究方法的过程中给予支持。
尽管当前激光雷达技术和数据处理已经取得了瞩目的成就，但是还是一个相对年轻的学科，并且在未来还将快速发展。我们希望本书能够成为一个关于激光雷达技术应用的基础用书。同时提供了相当全面的数据处理技术，这些都将持续引领该技术领域的进步和发展。
激光雷达可能是近十年来在主流的地图制图（topographic mapping）领域引入的最重要的技术手段，该技术的最主要的优势在于能够直接地进行三维数据的采集，并且由于厘米甚至是毫米级别的激光测距精度以及由集成于系统平台的POS系统提供的精准的姿态信息，使得该技术具备较高的精准度（accurate）。相比较于传统的摄影测量方法（photogrammetric methods），LiDAR能够直接采集具有高分辨率的密集点云数据，这些数据能够直接地用到一些基础应用当中。但是对于激光雷达数据的潜力以及能力的挑战，从根本上来说是和传统的摄影测量的方式是不同的。在过去的几十年中，在该领域有许多显著的发展成就，主要是由于多学科的交叉研究（multidisciplinary research），包括有计算机视觉，计算机图形处理，电子工程以及摄影测量等。因此（consequently），传统的（conventional）基于影像的摄影测量和视觉的方法正在逐渐(gradually)地适应（adapt to）这个新的课题（the new subject），最初的方面主要关注于点云数据的采集、标定、配准以及信息提取。
自lidar应用以来，虽然有很多的研究和应用，但是还没有一个完整的综合的介绍出现（a comprehensive compilation is still missing），首先，描述激光测距和扫描的基本原理和基础概念；其次，反映当前的激光扫描技术、系统以及数据采集方法的发展现状的介绍；再次，表达数据处理的方法以及当前在不同领域的进展情况，这一点可能是最大的挑战。这样的一个整理一直都没出现。本书最初的目的是满足这一需求，同事为激光雷达的研究、学习以及相关教育提供一个参考的手册。
本书内容主要有四大部分组成，每一个部分关注激光雷达技术和数据处理的一个方面。第一部分，从第一章到第三章，初步介绍的激光雷达系统，并对激光雷达系统做一综合性概括，在进行一个简要的（concise introduction）激光雷达介绍之后，第一章介绍了两种激光测距方法，分别是脉冲式测距原理和相位式测距原理（time pulse method and phase comparison method）,以及激光轮廓线和扫描的概念，除此之外还有对于激光测距技术的一些其他概念，例如安全等级、回波能量、光束发散以及反射率等概念。第二章和第三章介绍了重点介绍了机载或星载激光雷达系统以及地基激光雷达系统，第二三章节都包含了一个简短的历史回顾以及激光雷达系统的分类（taxonomy），并在此基础上，对激光雷达设备的组成、工作方式、主要特征等进行了详尽彻底的（thorough）介绍。
第二部分主要介绍了在一个lidar系统中各个单元的运行原理以及测距方式。第四章讨论了激光雷达系统的工作方式以及在集成系统当中的各个子单元的工作方式。同时对地理配准和标定的原理和实践应用也进行了介绍。最终介绍了一个DTM的生产流程，包括飞行计划的制定、设备的安装调试、数据的采集处理。为了最高效地应用lidar系统， 第五章介绍了激光雷达的潜在应用，以及所采集数据的小城。对激光测距方法，包括有波形记录（waveform recording）以及单光子探测（single-photon detection）技术进行了介绍。重点介绍了在地基激光雷达在进行植被覆盖以及森林管层结构的特征提取当中，不同的距方法之间的关系、设备参数以及数据的高程特征。第六章以直接的地理配准技术的介绍为开始，该章节的讨论主要集中于惯导系统INS，该系统对于记载激光雷达数据的获取精度具有重要意义，与此同时介绍了激光测距系统、GPS系统以及INS系统的集成原理。第七章主要介绍了小光斑激光雷达，并重点介绍了全波形分析。这些章节详细介绍了设计一个激光了雷达系统、模拟发射的激光脉冲的空间及瞬时的(temporal)特性，探测脉冲回波以及从全波形数据提取地物特征。
本书第三部分的主题是随后的（subsequently）激光雷达数据的几何处理，主要关注于处理的质量、精度以及标准。第八章开头介绍了表面表达的一些基本概念。并且研究了在将多组数据融合成为一个整体数据的过程中，进行航线拼接（strip adjustment）的主要影响因素。讨论的内容涵盖了数据驱动（data driven）以及系统标定的基本方法。第九章介绍了激光雷达系统数据质量控制以及标定的过程。第十章介绍了数据格式、组织方式、存储模式、标准以及从实用的观点看这些因素在数据处理过程中的影响。
第四部分是关于激光雷达数据的信息提取方面。作为该部分的起始章节，第十一章关注于提取地形表面，重点介绍了在地物分离方面不同的滤波算法以及各自的效果。地形结构线（terrian structural lines）在地面模型生成过程中的作用也被讨论到，因为关系到数据的保真度（fidelity）和质量（quality）。第十二章主要介绍了激光雷达在森林测量（forest inventory）当中的广泛应用。包括了用户需求，在林业应用当中的激光散步，管层高度反演，以及数据匹配精度。除了数目和林木参数的反演，使用多时段的激光雷达数据来进行变化检测的可行性在此也进行了讨论。第十三章介绍了使用原始的三角测量方法来保证激光雷达数据和影像数据的匹配精度。第十四章到十八章介绍了城市环境下的特征提取研究。这个动态的话题从不同的学科的视角都引起了极大的关注。方法包括有RANSAC（random sample consensus）和霍夫变换（Hough transform）进行特征的提取（第十四章）。使用聚类方法进行分割和重建（第十五章、十六章、十八章），多源数据集的联合（第十六章、第十七章），区域生长（第十六章、第十八章），图分割（graph partition）（第十四章、十七章），以及基于规则的方法（第十六章），虽然以上章节都拥有独立的质量评价，第十九章介绍了一个关于建筑物提取质量的总体概述，基于一系列有组织的相关因素（based on an organized joint effort of different participants）。综上所述，基于以上相互独立却又相关联的内容，从不同的视角 为读者提供了一个广阔的讨论空间，包括有原理、系统组成、操作、数据处理以及信息提取。
本书的目标读者是广泛的，并且希望能够成为研究生级别的学生的参考用书，在不同学科领域的学生都可以参阅，比如测量学、地质学、资环、城规、计算机等方面，对于感兴趣的研究人员，本书能够在其开发新的关于激光扫描和数据处理的研究方法的过程中给予支持。
尽管当前激光雷达技术和数据处理已经取得了瞩目的成就，但是还是一个相对年轻的学科，并且在未来还将快速发展。我们希望本书能够成为一个关于激光雷达技术应用的基础用书。同时提供了相当全面的数据处理技术，这些都将持续引领该技术领域的进步和发展。