工程测绘中激光雷达测绘技术的应用研究

工程测绘中激光雷达测绘技术的应用研究

曹城中

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摘要：激光雷达测绘技术目前在测绘工程中的运用增多，尤其是城市化进程加快，工程类型增多，带动了我国建筑业发展。激光雷达测绘技术比较成熟，在各个领域的运用提高了工作效率和质量。本文是对工程测绘中对激光雷达测绘技术应用进行分析，从基础测绘、精密工程和数字矿山角度开展研究，希望为我国测绘行业测绘技术发展提供参考意见。

关键词：激光雷达；测绘技术；应用
　　
　　前言
　　激光雷达测绘技术（LIDAR），属于高配置、高原理集成系统，是现今数码测绘最具代表性、测绘业界最先进的测绘技术。激光雷达测绘技术中的部分应用有效地提高测绘的精度，实现自动采集数据，缩短了测量时间，降低了劳动强度，有效提高了工作效率。因此，激光雷达测绘技术在现代测绘工程中的应用具有重要意义。
　　1激光雷达测绘技术概念及应用原理
　　1.1概念
　　激光雷达技术（Light Detection And Ranging，LIDAR），主要组成系统为：激光系统和计算机系统，其中激光系统是对外界激光脉冲进行供给，计算机系统则对海量信息数据进行存储与处理，从而构建出3D场景，获取目标空间定位，拍摄的照片可借助网络进行有序传输，从而实现目标场景与数据模型的双向同步绘制，准确快速展现目标，为工作者提供多元化、准确的数据信息，利用其进行工程测绘更为高效、客观、真实、具体。该技术的探测是利用搭载电磁波进行信号发射与回收，通过对信号的发射与返回的对比来记录目标物的高、宽、距离等其他数据。如果目标处于移动的状态，同样可利用该测绘技术实现追踪效果。
　　1.2应用原理
　　激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用主要是利用现代光频波段对所测量区域的电磁波进行传送和把控。通过传送区域中的电磁波可准确判断物体高宽等距离上的数据信息。在工程测绘中，可将激光光束直接打到物体表面，同时产生反射效果，雷达会接收这种被反射的光束，雷达内部系统基于光束发出与收回时长，计算物体距离，计算公式为：D（距离）=C（光速）·t/2（时间）。相较于普通光波，激光的方向性和颜色更为单纯明显，相干特性突出，抗干扰能力强，所以，利用激光进行工程测绘获得的数据将更为准确。此外，激光雷达测绘技术在应用过程中，GPS 系统也在其中发挥了重要作用。GPS 系统在接收到坐标信息后，能够对激光点的X/Y/Z 坐标进行景区的计算。事实上，激光点云就是由激光点汇聚而成，并通过系统重构绘制成点云图像，这就相当于是机载激光雷达系统测高的原理。激光束发射和回传的频率非常高，同时接收器也处于高效率的运转中，光束在回传的过程中，就包含了距离、高度等信息。
　　2激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用
　　2.1 基础工程测绘
　　在基础测绘的应用上，所谓的激光点云是由激光点的收敛形成的，并通过系统重建吸入的点云图像。这等同于机载激光雷达系统的高度测量的原理。激光束的发射和反向传输的频率是非常高的，并且接收机也高效接收光束包含在返回过程诸如距离和高度的信息。当使用机载激光雷达系统，根据不同的航高，其平面精度可达到约0.15-1米，高程精度可达到10-30厘米，地面分辨率甚至可达到厘米级。
　　实现工程测绘过程中的基本要求及目的是基础工程测绘，基础工程测绘主要是收集对象的基本信息并整理的过程。因此，在基础测绘阶段，应实现数字图像的基本反应和切割，并在此基础上，形成一个初步的测绘图。对测绘工程来说，数字摄影是非常繁琐和重要的。因此，要严格设计和规划其基本路线和程序，而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。由机载激光雷达技术提供的地面的三维坐标可满足高精度的图像的差分校正的要求，使得数字正射影像制作更容易，并且消除了对数字摄影平台的依赖，降低了一般遥感图像需要处理这方面的成本。大规模生产可以在系统中实现。此外，高精度激光点云数据能直接反映三维信息，如地物和地貌，充分利用这些资源，实现更精确的判读和测量，提高数据采集的效率和质量。
　　2.2在精密测绘中的应用
　　在精密测绘中，需要收集测量数据目标的各种细节，完成细节数据测绘后，获取目标三维坐标并形成三维模型。在这样的精密测绘项目上，激光雷达测绘技术以及机载激光测绘技术都可以实现，它可以叠加与比较三维模型的测绘纹理信息，可以规划、分析相应的建筑与景观具体工作。例如，在铁路设计中，该技术可以实现高精的地面测绘，并能同一时间绘制极高精度的模型，为施工提供精确的数据与方法。
　　2.3在数字矿山构建中的应用
　　数字矿山的建设将有利于促进采矿业的持续健康发展，而在同一时间帮助创建节约型和环境友好型社会。近年来，作为中国矿山和矿业城市的生存和发展状况变得越来越严峻，相关的矿产生态环境和资源枯竭的问题日益严重。与此同时，采矿系统的内部功能被限制，导致相关的人力、物力和财力都受到一定的影响。因此，有必要进行数字化矿山的科学合理的建设。首先，激光雷达技术可以快速而有效地提取矿井的特定数据，并建立一定的三维虚拟接地模型来定义建筑物的合理的范围，以便有效地提取建筑物的顶部的信息。实现建筑模型的重建。其次，通过建筑物和地面模型的分层与匹配，塌陷区的经济和生态环境能够得到有效评估，使土地的裂缝和腐蚀可以很好地分析，对调查和及时掌握灾区建筑物的破坏和滑坡、泥石流等地质灾害的监测中发挥非常重要的作用。

　　2.4在数字城市建设中的应用
　　社会经济飞速发展，城市建设更为多元，并且向着数字化的方向演进。激光雷达技术应用于城市规划中，可高精度的模拟城市地形，提供精确化、细致化的数字正射影像图，从而为城市规划提供科学精准的数据信息依据，为数字城市建设提供有利支持。此外，可以利用该技术构建仿真的三维城市，为城市管理者提供一个真实的虚拟城市平台，与传统技术工作量大、更新慢、效果差的特点相比，该技术快速获取目标高密度、高精度的三维点坐标，在软件和硬件的支持下构建大面积的城市三维模型，并可以快速更新，为数字城市建设提供最基础的数据和最完善的服务。
　　2.5 在水下地形测量中的应用
　　一些激光雷达测绘技术使用两个不同波长的激光束，并且可以在同时测量水底。例如，该系统SHOALS使用红色或红外光进行水面测量，并且在激光的蓝 - 绿光穿透水面至水的底部。水的深度可以用在两个光束的接收时间的差来计算。因此，激光雷达技术可以完全在水下地形测量利用。一般情况下，海水中的激光雷达技术在水文勘测测量的深度为50米。这个深度水质的变化清晰度在航道，近海，水文等行业备受推崇。
　　2.6森林工业的应用
　　现今，生态环保成为时代发展主题之一，各行各业都在着力倡导并发展生态环境保护事业。而利用激光雷达技术可为森林工业建设提供有效支撑。例如，利用机载激光雷达系统能够得到植被的各类数据，例如树冠下方地形、树木高度、植被种植密度等。这种机载激光雷达检测方式与卫星成像方式有所不同，利用激光雷达检测技术能够在检测树冠下方地形的过程，同时对植被的其他信息进行获取。
　　3结语
　　总而言之， 激光雷达测绘技术具有精度高、效率高、适应性好等优势，在工程测绘中应用广泛。根据工程实践可知，激光雷达测绘平台众多，根据测区实际情况进行合理选择；测绘过程中，严格根据测区情况做好系统选型、数据采集工作，科学开展点云数据与影像数据处理工作，以保证测绘成果质量与精度满足要求。

　参考文献：
　    [1]唐敏.激光雷达测绘技术在工程测绘中的运用分析[J].工程技术：引文版，2016（4）：00006.
        [2]王国洲.工程测绘中激光雷达测绘技术的应用[J].通讯世界，2016（13）：277~278.
        [3]王国良.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用分析[J].低碳世界，2017（28）：85~86.