淺析LIDAR 測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

■魏一卿 ■南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330000

近年來(lái)，我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，建筑行業(yè)和測(cè)繪也都迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，呈現(xiàn)出欣欣向榮的發(fā)展態(tài)勢(shì)。在這樣的背景下，傳統(tǒng)的工程測(cè)繪技術(shù)由于自身的局限性以及工程量大、影響因素多等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足工程建設(shè)的需要，以GIS 技術(shù)、LIDAR 測(cè)繪技術(shù)為代表的新測(cè)繪方式迅速出現(xiàn)，并得到了廣泛的而應(yīng)用，取得了一定的工作成效，需要相關(guān)測(cè)繪人員的重視。

1 LIDAR 測(cè)繪技術(shù)概述

LIDAR 全稱Light Detection And Ranging，光探測(cè)與測(cè)量，是一種在激光雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上形成的新型測(cè)繪技術(shù)，也稱航空激光掃描探測(cè)技術(shù)，主要由全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)共同組成，包括了機(jī)載和地面兩大類，其中，機(jī)載激光雷達(dá)是一種安裝在飛機(jī)上的激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地面物體三維坐標(biāo)的準(zhǔn)確測(cè)量。作為一種主動(dòng)式對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，LIDAR 集成了激光測(cè)距技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、慣性測(cè)量單元以及差分定位技術(shù)等，在三維空間信息的實(shí)時(shí)獲取層面上，取得了巨大的突破，也為獲取高時(shí)空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。

在實(shí)際應(yīng)用中，LIDAR 具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高、受天氣因素影響小等特點(diǎn)，主要是利用相應(yīng)的傳感器，發(fā)滲出激光脈沖信號(hào)，無(wú)視地面植被的遮擋，直接獲取地表地形數(shù)據(jù)，經(jīng)專業(yè)軟件處理后，生成正射影像圖、等高線圖等，與傳統(tǒng)攝影測(cè)量以及地面測(cè)量相比，具有非常明顯的優(yōu)越性，目前已經(jīng)成為航圖測(cè)繪、地圖繪制中最為常用的技術(shù)方法之一。

LIDAR 測(cè)繪技術(shù)的工作原理，是利用傳感器，發(fā)射出相應(yīng)的激光束，激光束以光速進(jìn)行傳播，經(jīng)空氣傳播到地面或者物體上，經(jīng)反射后，被接收器接收，記錄為一個(gè)電信號(hào)，同時(shí)記錄激光束發(fā)射和接收的準(zhǔn)確時(shí)刻，結(jié)合相應(yīng)的公式R=ct/2，對(duì)激光器與地面之間的距離進(jìn)行計(jì)算，公式中，c 表示光速，t 表示激光束發(fā)射時(shí)刻與接收時(shí)刻的差值。激光掃描裝置能夠記錄一個(gè)單發(fā)射脈沖波返回的首回波、中間多個(gè)回波以及最后回波，通過(guò)對(duì)每一個(gè)回波時(shí)刻的記錄，可以同時(shí)得到多個(gè)高程信息，對(duì)IMU/DGPS 系統(tǒng)以及激光掃描技術(shù)進(jìn)行集成。當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí)，掃描儀會(huì)自動(dòng)向地面發(fā)射連續(xù)的激光束，同時(shí)自動(dòng)接收地面反射回波，對(duì)每一個(gè)激光發(fā)射點(diǎn)的瞬間空間位置及姿態(tài)進(jìn)行記錄，經(jīng)計(jì)算得到激光反射點(diǎn)的空間位置。

2 LIDAR 測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)測(cè)繪

基礎(chǔ)測(cè)繪，是指對(duì)工程項(xiàng)目中施工場(chǎng)地的測(cè)繪，主要是為了滿足工程施工的基本要求和主要目標(biāo)。在基礎(chǔ)測(cè)繪中，存在四種測(cè)繪產(chǎn)品，包括數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字柵格地圖(DRG)以及數(shù)字線劃地圖(DLG)，其中，DOM 和DLG 的生產(chǎn)需要高精度三維信息的支持。例如，DOM 需要DEM 提供準(zhǔn)確度較高的地形信息，利用數(shù)字微分技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析和糾正后，才能夠得到相應(yīng)的產(chǎn)品。而如果缺乏DEM 資料，則往往會(huì)使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的工序相對(duì)繁瑣，對(duì)于操作人員的專業(yè)技能水平有著較高的要求。利用LIDAR 測(cè)繪技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面三維坐標(biāo)的有效提取，滿足高精度影像微分對(duì)于糾正的需要，從而更加容易地獲取DOM。在這種情況下，DOM 的生產(chǎn)不需要使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)，只需要利用普通的遙感圖像處理系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。另外，利用高進(jìn)度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以更加直觀地反映地物以及植物的三維信息，對(duì)DLG 地形地物進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效收集。

2.2 精密工程測(cè)量

從目前來(lái)看，在一些精密工程測(cè)量中，如電力選線、沉降測(cè)量、水文測(cè)量、建筑測(cè)量以及文物考古等，都需要對(duì)目標(biāo)的各種信息進(jìn)行全面細(xì)致的采集和測(cè)量，同時(shí)還需要了解其三維模型和三維坐標(biāo)的具體信息。結(jié)合機(jī)載LIDAR 和地面LIDAR 技術(shù)，能夠?qū)ι鲜鰡?wèn)題進(jìn)行有效解決。在實(shí)際操作中，其作業(yè)步驟為:利用數(shù)碼相片，對(duì)相應(yīng)的紋理信息進(jìn)行采集，將采集到的信息與構(gòu)筑物模型進(jìn)行疊加處理，逐步構(gòu)建出相應(yīng)的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)景觀的規(guī)劃分析、規(guī)劃決策以及形變測(cè)量等。以電力線路為例，在對(duì)其進(jìn)行選線設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用LIDAR 測(cè)繪技術(shù)，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和加工處理，相關(guān)技術(shù)人員能夠了解整條電力線路中地形、地物的具體情況。同時(shí)，在對(duì)電力線路進(jìn)行維修時(shí)，可以根據(jù)線路中設(shè)置的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以及其所對(duì)應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高度，對(duì)任何一個(gè)位置的線路與地面之間的距離進(jìn)行計(jì)算，為線路的維修工作提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

2.3 數(shù)字城市建設(shè)

所謂數(shù)字城市，主要是以計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，結(jié)合遙感技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、GIS 技術(shù)、以及仿真-虛擬技術(shù)等，對(duì)城市進(jìn)行多分辨率、多尺度、多時(shí)空和多種類的三維描述。利用LIDAR 測(cè)繪技術(shù)，能夠獲得高精度、高分辨率的數(shù)字正射影像以及相應(yīng)的數(shù)字地面模型，為數(shù)字城市的建設(shè)提供準(zhǔn)確可靠的空間信息資源。在數(shù)字城市建設(shè)中，必須構(gòu)建一個(gè)具備一定真實(shí)感，可以有效測(cè)量，精度較高的城市三維模型，作為城市管理的虛擬平臺(tái)。在這樣的需求下，如果采用傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)，不僅工作效率低下，而且難以保證測(cè)量進(jìn)度，對(duì)于數(shù)字城市服務(wù)面的深度和寬度存在一定的負(fù)面影響。利用LIDAR 測(cè)繪技術(shù)，能夠從多個(gè)不同的角度，對(duì)地面建筑物進(jìn)行掃描，得到目標(biāo)的高密度、高精度三維坐標(biāo)，之后利用專業(yè)軟件，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)的模型，進(jìn)行相應(yīng)的紋理映射，從多個(gè)不同的方面，構(gòu)建城市三維模型。不僅如此，從實(shí)際需求出發(fā)，還可以對(duì)上述三維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，為數(shù)字城市的建設(shè)提供連續(xù)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

2.4 森林業(yè)管理

在對(duì)森林業(yè)進(jìn)行規(guī)劃和管理的過(guò)程中，必須準(zhǔn)確獲取森林植被以及樹(shù)冠下端地形的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如果采用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)，需要對(duì)樹(shù)木的密度、高度等信息進(jìn)行全面測(cè)量，工作量相對(duì)較大;而如果采用LIDAR 測(cè)繪技術(shù)，利用機(jī)載激光雷達(dá)以及衛(wèi)星成像技術(shù)，不僅能夠是獲取對(duì)樹(shù)木高度信息的準(zhǔn)確獲取，同時(shí)可以對(duì)樹(shù)冠下的地形進(jìn)行有效勘測(cè)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，使得管理人員能夠通過(guò)獲得的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)一步掌握森林的生態(tài)環(huán)境、林木密度、樹(shù)木高度等的具體情況，確保管理工作的順利進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，我國(guó)的工程建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展，對(duì)于工程測(cè)繪技術(shù)提出了更好的要求。在工程測(cè)繪中，LIDAR測(cè)繪技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用，與傳統(tǒng)工程測(cè)繪技術(shù)相比，具有工作量小、工作效率高、數(shù)據(jù)獲取精度高、密度大等特點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)是非常顯著的。從目前來(lái)看，我國(guó)對(duì)于LIDAR 測(cè)繪技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，相關(guān)技術(shù)不夠成熟，需要專業(yè)技術(shù)人員的深入研究，不斷拓展其應(yīng)用范圍，推動(dòng)工程測(cè)繪技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

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