LiDAR技術(shù)在形變測量中的應(yīng)用

楊茂盛

摘 要：形變測量廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域，主要是利用精密測量儀器對測區(qū)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。LiDAR技術(shù)由于具有高分辨率數(shù)碼影像和快速獲取高精度激光點(diǎn)云等優(yōu)點(diǎn)，獲得了傳統(tǒng)測量手段所不具備的應(yīng)用模式。文章介紹了LiDAR技術(shù)的優(yōu)越性及工作原理，并對LiDAR技術(shù)在形變測量中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：工程；形變測量；LiDAR技術(shù)

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0145-02

引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)和社會的快速發(fā)展，形變測量技術(shù)已經(jīng)在各個社會領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。傳統(tǒng)的形變測量模式主要是利用精密測量儀器以單點(diǎn)觀測的方式對測區(qū)目標(biāo)進(jìn)行測量，這種測量模式觀測勞動強(qiáng)度大、觀測結(jié)果反映的是觀測點(diǎn)間的整體運(yùn)動特征，難以有效捕捉觀測點(diǎn)間的局部細(xì)節(jié)的運(yùn)動變形特征。作為新發(fā)展起來的一種形變測量技術(shù)，LiDAR（Light Detection and Ranging激光探測與測量）技術(shù)取代了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量模式，具有高精度、高效率的特點(diǎn)，能夠提供掃描測區(qū)目標(biāo)表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，已被廣泛用于基礎(chǔ)測繪、城市規(guī)劃、交通和環(huán)保等領(lǐng)域。該技術(shù)在三維空間信息實(shí)時獲取方面取得了重大進(jìn)展，這為高時空分辨率三維空間信息的獲取提供了一種全新技術(shù)手段[1-2]。本文通過對LiDAR工作原理和數(shù)據(jù)處理的闡述，以LiDAR技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用為例，表明LiDAR技術(shù)在形變測量中相比傳統(tǒng)測量手段更具有技術(shù)優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ虼颂接慙iDAR技術(shù)的應(yīng)用研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 LiDAR原理

LiDAR技術(shù)是基于時間可精確記錄技術(shù)的前提下，利用激光發(fā)射與接收時間計算激光發(fā)射點(diǎn)距離測量對象的距離。LiDAR測量獲取的原始數(shù)據(jù)為包含高程信息、激光回波強(qiáng)度信息的數(shù)據(jù)點(diǎn)所組成的點(diǎn)云格式，其精度與測量系統(tǒng)距離被測對象之間的距離、地面控制點(diǎn)的測量精度、天氣狀況等相關(guān)[3]。LiDAR傳感器如果發(fā)射激光束后會迅速傳播到地面或者目標(biāo)表面，然后再經(jīng)過表面反射，反射信號將被傳感器感應(yīng)并記錄存儲為一個電信號。如果精確記錄了發(fā)射和接受時刻的時間，那么經(jīng)過計算可以容易得到接受時刻和發(fā)射時刻兩者的差值。激光發(fā)射器發(fā)射完一束離散的光脈沖后，光脈沖以光速傳播到地表并反射，接收器會在下一個光脈沖發(fā)出前收到一個被反射回來的光脈沖，通過記錄紅外線激光反射到目標(biāo)上的時間來測出兩者之間的距離。具體實(shí)現(xiàn)方法有相位法、變頻法和脈沖法，常用的是相位法和脈沖法，脈沖法直接量測脈沖信號來傳播時間，相位法是量測連續(xù)波信號的相位差間接確定傳播時間[4]。如果物體的表面處于高低不平形狀，在地面用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描，可獲得反射物體的表面形貌圖，使用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)，其航測制圖通過軟件處理很容易合并到各種數(shù)字圖件中，可以獲取高精度的數(shù)字等高圖、DEM和等高線等[5]。

LiDAR系統(tǒng)集成了多種高新技術(shù)，采用非接觸式主動測量方式的對地觀測系統(tǒng)。該技術(shù)近年來成績斐然，已在三維空間信息的實(shí)時獲取和高分辨率地球空間信息獲取方面取得了重大突破，且具有受氣候影響小、自動化程度高、數(shù)據(jù)生成周期短和數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)。隨著LiDAR測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升以及價格的逐步下降，其應(yīng)用越來越廣泛。按照傳感器搭載平臺的不同，LiDAR系統(tǒng)可以分為星載LiDAR、機(jī)載LiDAR、車載LiDAR和地基LiDAR等四種系統(tǒng)。

2 實(shí)例應(yīng)用

以某段高速公路為應(yīng)用實(shí)例，公路屬于平地結(jié)合的地形，周邊植物覆蓋率較低。此次根據(jù)項目情況選用了機(jī)載LiDAR系統(tǒng)。機(jī)載LiDAR技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、激光測距技術(shù)、高精度動態(tài)GPS差分定位技術(shù)和高精度動態(tài)載體姿態(tài)測量技術(shù)等多種高新技術(shù)快速發(fā)展的集中體現(xiàn)，主要用于獲取大范圍高精度的數(shù)字地面模型和城市表面模型。該系統(tǒng)主要包括有： 動態(tài)差分GPS接收機(jī)，用來確定掃描投影中心的空間位置；激光掃描測距系統(tǒng)，用來測量傳感器到地面的有效距離；姿態(tài)測量裝置IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量裝置），用來測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；成像裝置，用于產(chǎn)生對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像數(shù)據(jù)，用于最終制作正射影像圖件。

機(jī)載LiDAR在此次應(yīng)用中的主要工作步驟有：（1）前期準(zhǔn)備工作。主要包括機(jī)載LiDAR系統(tǒng)安裝在飛行器上后需要對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)檢校和參數(shù)設(shè)置，還有地面GPS基準(zhǔn)站的設(shè)置，其中LIDAR數(shù)據(jù)的精度與航攝高度參數(shù)設(shè)置有關(guān)。（2）LiDAR數(shù)據(jù)的處理。LiDAR航攝飛行結(jié)束后，需首先對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，然后在進(jìn)入數(shù)據(jù)處理流程。通過對原始數(shù)據(jù)解碼，POS及激光數(shù)據(jù)的處理構(gòu)建數(shù)字化立體作業(yè)平臺，恢復(fù)對高速公路及周邊環(huán)境測區(qū)的立體模型及進(jìn)行優(yōu)化處理。通過DEM數(shù)據(jù)，正射影像數(shù)據(jù)，以實(shí)測的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的三維實(shí)體，能從不同角度對既定目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行觀測。（3）生產(chǎn)專題地圖。通過對LiDAR數(shù)據(jù)的處理，最終可以制作高速公路地形圖，平斷面圖和數(shù)字等高圖等。應(yīng)用效果表明，LiDAR技術(shù)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，其觀測手段是可行的。

機(jī)載LiDAR技術(shù)是近十多年來迅速發(fā)展并快速走向?qū)嵱没囊环N新型遙感高新技術(shù)，LiDAR數(shù)據(jù)對空間信息提取便利的同時，其掃描帶中的數(shù)據(jù)分布不均勻及LiDAR數(shù)據(jù)存在空隙、噪聲等問題，也對實(shí)際應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)[6]，包括數(shù)據(jù)的處理速度等都提出可更高的要求。

3 結(jié)束語

實(shí)踐表明，LiDAR技術(shù)將觀測方式由傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取改成面或者體的數(shù)據(jù)的獲取，提高了觀測的速度和精度，能快速地獲取測區(qū)精確的三維坐標(biāo)及數(shù)字高程模型，更有效地精細(xì)鋪?zhàn)綔y區(qū)地物局部變化特征，同時配合正射影像增強(qiáng)了對測區(qū)特征的認(rèn)知識別能力，提高了工作效率，減少了勞動強(qiáng)度，節(jié)省了人力資源，這些優(yōu)勢使得LiDAR技術(shù)在形變測量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用需求和發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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