試析激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

楊傳玲

【摘 要】本文介紹了激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，并提出其再工程測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)今后激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】激光雷達(dá)；工程測(cè)繪；應(yīng)用 隨著上世紀(jì)80年代激光機(jī)技術(shù)的突破，推進(jìn)了激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。激光雷達(dá)采取與激光測(cè)距器類似的原理和構(gòu)造進(jìn)行研制，其工作在由紅外到紫外光譜段的探測(cè)系統(tǒng)中。由于激光雷達(dá)的不斷改進(jìn)，其重復(fù)頻率快、峰值功率高、體積小、波長(zhǎng)范圍廣，目前已在工程測(cè)繪的多個(gè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。

1.激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)概述

激光雷達(dá)是在光頻波段工作的雷達(dá)，且與微波雷達(dá)的工作原理相近，利用光頻波段的電磁波向目標(biāo)地點(diǎn)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后再將接收到的同波信號(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)而得知目標(biāo)的方位、距離、高度等具體位置，以及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤、探測(cè)和識(shí)別。激光測(cè)距機(jī)是簡(jiǎn)化的激光雷達(dá)形式，在激光測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)方位配置、測(cè)量俯仰狀態(tài)、自動(dòng)跟蹤激光目標(biāo)等，以此構(gòu)成完整的目標(biāo)探測(cè)與跟蹤激光雷達(dá)。一般情況下，激光雷達(dá)由激光接收機(jī)、激光發(fā)射機(jī)、伺服控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、操控顯示終端組成，且激光雷達(dá)可根據(jù)不同方法進(jìn)行分類：如果按照發(fā)射波形與數(shù)據(jù)處理的方式，可分為連續(xù)波激光雷達(dá)、脈沖激光雷達(dá)、脈沖壓縮激光雷達(dá)、脈沖多普激光雷達(dá)、動(dòng)目標(biāo)顯示激光雷達(dá)及成像激光雷達(dá)等；如果按照安裝的平臺(tái)劃分，則分為機(jī)載激光雷達(dá)、地面激光雷達(dá)、航大激光雷達(dá)以及艦載激光雷達(dá)等；根據(jù)完成的不同任務(wù)，分為靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)、障礙物回避激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、飛機(jī)著艦引導(dǎo)激光雷達(dá)。

在實(shí)際應(yīng)用中，激光雷達(dá)可以單獨(dú)使用，也可與微波雷達(dá)、紅外電視、可見(jiàn)光電視、微光電視等組合使用，讓系統(tǒng)既能搜索到遠(yuǎn)距離目標(biāo)，也可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精密跟蹤，在當(dāng)前工程測(cè)繪中應(yīng)用廣泛。

2.激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1礎(chǔ)測(cè)繪

在基礎(chǔ)測(cè)繪中，包含數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃地圖以及數(shù)字柵格地圖。對(duì)于數(shù)字正射影像與數(shù)字線劃地圖來(lái)說(shuō)，其生產(chǎn)離不開(kāi)高精度三維信息的技術(shù)支持。例如，數(shù)字正射影像就是在精確的地形信息基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字微分糾正而獲得。由于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作的程序較復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)要求與技術(shù)路線也非常嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)生產(chǎn)人員提出更高的技能要求。而機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)所提供的地面三維坐標(biāo)，則可以滿足高精度影像微分糾正的要求，讓數(shù)字正射影像生產(chǎn)更加容易，并不需要數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)，極大降低成本，在一般遙感圖像處理系統(tǒng)中就可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。另外，高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可直觀反映地物、植被等三維信息，充分利用這些資源，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的判讀與測(cè)量，提高數(shù)據(jù)的采集效率與質(zhì)量。

2.2精密工程的測(cè)量

很多精密工程的測(cè)量，都涉及到測(cè)量目標(biāo)的采集，并獲得三維坐標(biāo)信息或者三維物體模型，例如在水文測(cè)量、建筑測(cè)量、沉降測(cè)量、電力選線、文物考古、變形測(cè)量等行業(yè)中。地面激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)就是解決這類問(wèn)題的有效方法。利用數(shù)碼相片獲得紋理信息，并與構(gòu)筑物模型實(shí)現(xiàn)疊加，以構(gòu)建三維模型，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀的規(guī)劃分析、物體保護(hù)、形變測(cè)量、規(guī)劃決策等。例如激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路設(shè)計(jì)、公路設(shè)計(jì)中提供的高精度地面高程模型，可便于線路的設(shè)計(jì)與施工方法精確計(jì)算。在電力線路設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用激光雷達(dá)技術(shù)的成果數(shù)據(jù)可以對(duì)整個(gè)線路有所了解，包括公共區(qū)域內(nèi)的地物、地形等要素；在電路線維護(hù)或搶修時(shí)，根據(jù)電力線路中的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及對(duì)應(yīng)地面裸露點(diǎn)的高程，計(jì)算出任意位置線路距離地面的高度，方便維護(hù)與搶修；另外，在樹(shù)木的密集區(qū)內(nèi)，也可利用激光雷達(dá)估算出需要砍伐樹(shù)木的面積與木材量。

2.3數(shù)字礦山的構(gòu)建

數(shù)字礦山的建立既滿足環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)節(jié)約型社會(huì)需要，也對(duì)促進(jìn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。近年來(lái)，我國(guó)礦業(yè)及礦業(yè)城市遇到了生存與發(fā)展的困境，而礦山生態(tài)環(huán)境、資源枯竭等問(wèn)題嚴(yán)重，礦山系統(tǒng)內(nèi)的功能受到局限，礦山的人力、物力、財(cái)力都有所影響。

若想解決這些問(wèn)題，必須加強(qiáng)對(duì)數(shù)字礦山的重視。利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)濾波迅速提取礦區(qū)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立起三維虛擬地面模型，并確定建筑物的合理區(qū)域，提取建筑物的頂面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分層組合建模、匹配融合等，實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對(duì)由于沉陷造成的土地侵蝕與裂縫進(jìn)行分析，調(diào)查沉陷區(qū)的建筑物破壞情況，以及檢測(cè)滑坡地質(zhì)災(zāi)害等。

2.4電力傳輸與管道布圖

在直升機(jī)平臺(tái)上工作的激光雷達(dá)系統(tǒng)，最適用于測(cè)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(shí)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(tái)中同時(shí)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(cè)量，也可同步進(jìn)行線路檢查及制圖工作。

2.5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(guó)土管理都需要森林及其樹(shù)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(shù)高及樹(shù)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(cè)樹(shù)冠下的地形時(shí)，還可同時(shí)獲得樹(shù)的高度。在對(duì)數(shù)據(jù)的后處理中，獨(dú)立的激光返回值可分為地面返回值與植被返回值兩部分，并以此計(jì)算出更多林業(yè)相關(guān)信息，如樹(shù)高、材質(zhì)、樹(shù)冠覆蓋以及生態(tài)環(huán)境等，這些都是傳統(tǒng)攝影測(cè)量或者地面測(cè)量無(wú)法獲得的信息內(nèi)容。

2.6規(guī)劃城市建設(shè)

自從進(jìn)入21世紀(jì)，數(shù)字電視已成為各地力爭(zhēng)構(gòu)建的信息化目標(biāo)?？臻g信息則成為數(shù)字城市的基礎(chǔ)平臺(tái)與框架，也是規(guī)劃城市建設(shè)的重要內(nèi)容。通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，可以獲得高精度、高分辨率的數(shù)字正射影像與數(shù)字地面模型，為城市規(guī)劃與發(fā)展提供寶貴的空間信息資源，也是構(gòu)建數(shù)字城市的重要技術(shù)支持。

另外，若想構(gòu)建數(shù)字城市，還需要滿足可測(cè)量、真三維、高精度等要求，具有真實(shí)效果的城市三維模型是管理城市的虛擬平臺(tái)。如果應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)，若想實(shí)現(xiàn)城市三維建模，工藝比較復(fù)雜，且工作量大、工作效率低，最終效果不理想，對(duì)數(shù)字城市的服務(wù)深度與寬度有所影響。如果利用激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，對(duì)地面建筑物進(jìn)行空中激光掃描或者地面多角度激光掃描，則可迅速獲得高精度、高密度的三維點(diǎn)坐標(biāo)，再加上軟件的后期處理，即實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建與紋理映射，全方位構(gòu)建城市三維模型，對(duì)數(shù)字城市建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)持續(xù)性、歷史性提供保障。

由上可見(jiàn)，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)將成為未來(lái)工程測(cè)繪的發(fā)展方向，具備更多的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)與其他測(cè)量技術(shù)的配合使用，將提高工程測(cè)繪的效率與質(zhì)量。但是目前我國(guó)在激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理方面技術(shù)尚不成熟，仍需進(jìn)一步深入研究。

【參考文獻(xiàn)】

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