关于激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用研究

[摘 要]随着我国建筑工程的发展，我国的工程测绘技术也取得了一定的发展成就。本文阐述了激光雷达技术测绘原理并就其应用在工程测绘中进行了探讨。

[关键词]激光雷达；测绘技术；工程测绘；应用

中图分类号：TN958.98；P258 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0367-01

引言

激光雷达技术简称为 LIDAR： 该技术可以实现空间三维坐标的同步、快速、准确地获取， 并根据实时摄影的数码像片， 通过计算机重构来实现大型实体或场景目标的 3D 数据模型， 再现客观事物的实时的、真实的形态特性， 为快速获取空间信息提供了简单有效手段。根据载体的不同， LIDAR 技术主要分地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术两大类。二十世纪八十年代以来，激光机得到了很大的发展，并且被广泛的应用于各种工程中，随着现代技术的不断发展，激光雷达技术作为一种新型的激光技术形式，被广泛的应用于各个工程测量活动中，下文中笔者将对该技术的应用问题进行分析。

1 激光雷达技术的原理

Lidar属于集激光，是由全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）为一体的系统，主要用来获取数据来源，并实现清晰的DEM。彼此的密切配合，能够很清楚的指定激光速在物体上留下的击打痕迹。还可以分为能够获取地面数字高程模型（DEM）的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，以上系统均是依靠激光展开探测和测量。激光自身就具有高精度的测量功能，测距精确度可以实现不足4 cm的效果。但是Lidar系统的精确水平不仅仅由于单纯激光作用，还需惯性测量单元（IMU）三者共同发挥作用。Lidar系统含有单束窄带激光器和接收系统。激光器实现光脉冲的产生并发射，迅速击打物体表面后，发射到原处，最后将由接收器处理。光脉冲发射出之后直到发射原地时所用时间均有接收器进行精确的测量和统计。由于光脉冲凭借光速传播，因此，下一个光脉冲发射之前的上一次光脉冲所用时间已经被接听器所测量记录下来了。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。

2 激光雷达的发展历程

第1代激光雷达1967年由美国国际电话和电报公司研制，用于开发航天飞行器交会对接的激光雷达，1978年NASA/MFSC研制出了用于同一目的的CO2干涉激光雷达。1976年用于研究地球科学的星载激光雷达一经问世就得到重视，NASA和NOAA委托美国无线电公司和帕新-爱而莫公司开发用于测量全球对流层风场的CO2相干激光雷达.1988年NASA研制出激光大气风探测器，空间分辨率达到1000m左右。20世纪90年代，由于全固体激光技术和二极管泵浦全固态技术的发展，较好地解决了制约星载激光雷达的寿命问题，显示出巨大的经济效益和军事价值。

3 激光雷达技术在测绘中的应用

3.1 快速获取数字高程模型

LIDAR 技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据， 该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理， 把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除， 然后构建不规则二角网 TIN， 就可以快速提取DEM。由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM 也成为可能， 因此它是解决快速进行 DEM 数据采集的最有效方法， 其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。

3.2 基础测绘

所谓基础测绘，就是对工程测绘过程中的基本要求和基本目的的实现，一般来说，由于工程测绘是一种对待测物体的基本信息的搜集和整理的过程。所以在基础测绘的阶段，应该实现对数字影像的基本反映和切割，并在此基础上进行初步的测绘地图的形成。对于测绘工程来说，数字摄影和测量的工作是非常繁琐和重要的，所以要求实现对其基本线路和程序的严格设计和规划，经检验激光雷达技术可以根据数字三维坐标的方式实现地面三维坐标的定位。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。

3.3 精密工程测量

很多精密工程测量， 都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息， 甚至需要建立精确的三维物体模型， 比如： 电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载 LIDAR 就是解决这种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型， 是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。例如：LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型 DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时，通过 LIDAR 的成果数据可以了解整个线路设公共区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的 LIDAR 数据点和相应的地面点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。

3.4 数字城市建设

数字城市是21世纪以来， 很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台， 是构建数字城市的重要研究课题。LIDAR 系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像， 提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源， 因此是数字城市建设的重要技术力量。数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测， 具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术， 进行城市三维建模是精雕细琢的工艺， 工作量很大， 效率非常低， 而且效果并不好， 影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用 LIDAR 技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描， 可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射， 多方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态史新， 为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障

结语

综上所述，Lidar技术已被广泛应用到测绘领域的各个角落，成为科技工作者认可的先进集成测量技术，其发展前景极为乐观，然而蕴含着强大的竞争实力。对测绘及其余负责部门，激光雷达技术仍均有广泛的挖掘潜力，之后出现的数据处理、信息的收集整理以及类似问题都需要众多科学研究人员的不懈努力而得到化解。激光雷达理论研究在国内尚处于起步阶段，需要大量科研工作者和生产技术人员通过科学研究和生产实践的密切结合，来促进激光雷达技术更好地为相关领域的信息化服务。

参考文献

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