2023年激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用探討

2023年激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用探討激光雷達(dá)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)同步、快速、準(zhǔn)確地獲取空間三維坐標(biāo)。本文主要分析了激光雷達(dá)測繪技術(shù)的原理，并探討了激光雷達(dá)技術(shù)在森林、數(shù)字礦山、水下地形、城市建設(shè)等方面的應(yīng)用。

激光；雷達(dá)；測繪；技術(shù)

激光雷達(dá)測繪技術(shù)，即Lidar，是一種高配置高原理集成系統(tǒng)，是當(dāng)前數(shù)碼測繪技術(shù)的典型代表。激光雷達(dá)技術(shù)主要由記載GPS提供空間位置，這種技術(shù)的激光方向建立在慣性測量技術(shù)的基礎(chǔ)上。此外，激光系統(tǒng)主要供給激光脈沖，由計算機(jī)系統(tǒng)提供高速和大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲空間與處理能力。運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)可以同時快速的獲得空間三維坐標(biāo)。實(shí)地拍攝的數(shù)碼攝影像片，在計算機(jī)的處理后，可以重現(xiàn)大型實(shí)體及場景目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型，呈現(xiàn)設(shè)計生活中的事物的真實(shí)存在形態(tài)，確?？焖佾@取空間信息的效果。

1.激光雷達(dá)測繪技術(shù)的原理

激光雷達(dá)測繪技術(shù)是結(jié)合了全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的系統(tǒng)，可以用來獲取數(shù)據(jù)來源，并呈現(xiàn)清晰的DEM。通過密切配合，能精確的區(qū)分和重現(xiàn)指定激光速在物體上留下的擊打痕跡。這種技術(shù)被普遍運(yùn)用在地面數(shù)字高程模型的獲取（DEM）、水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)等領(lǐng)域。激光具有精確的測量效果，測距精確度可以達(dá)到4cm之內(nèi)的效果。Lidar系統(tǒng)的高精度不但包括單純激光作用，還需慣性測量單元（IMU）三者共同發(fā)揮作用。

Lidar系統(tǒng)含有單束窄帶激光器（1個）和接收系統(tǒng)（1個）。激光器工作的過程主要是：在脈沖的產(chǎn)生和發(fā)射后，迅速擊打物體表面，發(fā)射到原處，最后由接收器處理。光脈沖發(fā)射出之后直到發(fā)射原地時所用時間均有接收器進(jìn)行精確的測量和統(tǒng)計。因?yàn)楣饷}沖憑借光速傳播，所以，接聽器可以準(zhǔn)確記錄下一個光脈沖發(fā)射之前的上一次光脈沖所用時間。因?yàn)楣馑偈且阎?，傳播時間可轉(zhuǎn)換成測量距離。

2.激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

2.1快速獲取數(shù)字高程模型

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是激光雷達(dá)技術(shù)中特點(diǎn)相當(dāng)明顯的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)產(chǎn)物密度和精度都比較高，且能快速清晰的顯示點(diǎn)位的三維坐標(biāo)構(gòu)架。經(jīng)人工交替操作或自動運(yùn)行，將人放射到地面植物中或建筑物之類的地形之外目標(biāo)上的點(diǎn)云統(tǒng)一分類、濾波或清除，之后構(gòu)建二角網(wǎng)TIN，就能及時得到DEM。因?yàn)榧す恻c(diǎn)密度非常大，數(shù)目比較繁多，DEM的生成也成為了現(xiàn)實(shí)。

2.2實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測繪

基礎(chǔ)測繪的產(chǎn)品主要有數(shù)字高程模型，還包括數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）和數(shù)字柵格地圖（DRG）。無論是上述哪種產(chǎn)品的運(yùn)行，都需要高精度三維信息的協(xié)助和引導(dǎo)。數(shù)字?jǐn)z影測量操作起來很復(fù)雜，設(shè)備的前期準(zhǔn)備及技術(shù)規(guī)劃方案都相當(dāng)嚴(yán)格，要求技術(shù)工作人員有熟練的操作水平；在機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)處理下得到的數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)，均能達(dá)到高精度影像微分糾正的需要，但是DOM的生產(chǎn)變得越來越簡易化，不再依靠數(shù)字?jǐn)z影測量，在一般的遙感圖像處理系統(tǒng)中即能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

2.3森林工業(yè)的應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)最早應(yīng)用的商業(yè)領(lǐng)域即森林工業(yè)，由于森林業(yè)發(fā)展與國土管理都需要森林及其樹冠下端地形的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)技術(shù)中很難獲得樹高及樹的密度的精確信息。機(jī)載激光雷達(dá)與衛(wèi)星成像不同，當(dāng)利用這種技術(shù)勘測樹冠下的地形時，還可同時獲得樹的高度。

2.4精密工程測量

很多精密工程測量，都需要采集測量目標(biāo)的高精度三維坐標(biāo)信息，甚至需要建立精確的三維物體模型，比如：電力選線、礦山和隧道測量、水文測量、沉降測量、建筑測量、變形測量、文物考古等等行業(yè)。地面和機(jī)載LIDAR就是解決這種實(shí)際問題的最有效手段。通過數(shù)碼像片獲取的紋理信息與構(gòu)筑物模型進(jìn)行疊加構(gòu)建三維模型，是進(jìn)行景觀分析、規(guī)劃決策、形變量測、物體保護(hù)的重要依據(jù)。

例如LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設(shè)計提供高精度的地面高程模型DEM，以方便線路設(shè)計和施工土方量的精確計算。在進(jìn)行電力線路設(shè)計時，通過LIDAR的成果數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)公共區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線搶修和維護(hù)時，根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)和相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高程可以測算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護(hù)。

2.5進(jìn)行城市數(shù)字化建設(shè)

很多地方在21世紀(jì)都在力爭構(gòu)建信息化目標(biāo)?？臻g信息作為數(shù)字城市的基礎(chǔ)框架和平臺，是構(gòu)建數(shù)字城市的重要研究課題。LlDAR系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，為城市提供了最寶貴的空間信息資源，是數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)力量。數(shù)字城市還需要構(gòu)建高精度、真三維、可量測，具有真實(shí)感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺。但是采用傳統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)行城市三維建模是精雕細(xì)琢的工藝，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影響了數(shù)字城市服務(wù)面的寬度和深度。利用LIDAR技術(shù)對地面建筑物進(jìn)行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標(biāo)高密度高精度的三維點(diǎn)坐標(biāo)，在軟件支持下對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建和紋理映射，多方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實(shí)施快速動態(tài)史新，為數(shù)字城市建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的持續(xù)性、歷史性提供了確實(shí)的保障。

2.6水下地形測量

一些激光雷達(dá)技術(shù)采用了兩種不同波長的激光束對水底進(jìn)行測量。比如，SHOALS系統(tǒng)在采用紅光（或紅外光）測量水面的同時，用藍(lán)綠光穿透水面測量水底，通過這兩個光束的接收時間差計算水的深度，因此可以進(jìn)行大面積的水下地形測量。通常情況下，海道測量Lidar所能測量的海水深度為50m，此一深度隨水質(zhì)清晰度的不同而變化，為航道、近海海洋、水文等行業(yè)的人士所推崇。

2.7數(shù)字礦山的構(gòu)建

當(dāng)前礦山以及依附礦山發(fā)展的城市遇到了很大的麻煩，環(huán)境由于過度的開采直接導(dǎo)致了環(huán)境問題的出現(xiàn)，再者過度的開采面臨著嚴(yán)峻的資源枯竭，此外還要考慮市場的近期狀況，考慮礦山的內(nèi)部環(huán)節(jié)以及人、機(jī)、料、法、環(huán)方面的影響。當(dāng)前的有效方式就是加強(qiáng)數(shù)字礦山的建設(shè)，從多方位多角度去看待問題，以達(dá)到根治的目的。數(shù)字礦山就是通過運(yùn)用激光雷達(dá)技術(shù)快速采集整個礦山的數(shù)據(jù)，與此同時構(gòu)建三維模型更好的表現(xiàn)其形式，因?yàn)槊恳徊糠值臉?gòu)成不同，建模時所考慮的側(cè)重點(diǎn)也不同。一般情況下，應(yīng)分層構(gòu)建，同時進(jìn)行多方位的評價，一般情況主要是進(jìn)行環(huán)境、經(jīng)濟(jì)型、自然災(zāi)害等方面的評價。如此一來，可以實(shí)現(xiàn)高效的反饋數(shù)據(jù)，連續(xù)二十四小時不間斷的提供數(shù)據(jù)，對于整體的模型構(gòu)建的清晰合理，此外可以預(yù)測評估未來可能發(fā)生的事故，能幫助我們防患于未然。

2.8電力傳輸與管道布圖

在直升機(jī)平臺上工作的激光雷達(dá)系統(tǒng)，最適用于測量傳輸線路。由于直升機(jī)可以沿著電力線或者管道傳輸?shù)淖呃蕊w行，比固定翼飛機(jī)節(jié)約成本，并且直升機(jī)可以隨時根據(jù)需要調(diào)整高度和速度，以獲得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。如果在激光雷達(dá)應(yīng)用平臺中同時使用錄像機(jī)、數(shù)字相機(jī)及其他傳感設(shè)備，既可實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)測量，也可同步進(jìn)行線路檢查及制圖工作?！?/p>

[1]杜恩祥，常雷，李文珍.基于陣列法檢測的激光駕束制導(dǎo)信息