激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用探討

李林 陳科旭

摘要：本文針對激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用，分別闡述了其在基層測繪、精密工程、數(shù)字礦山、電力工程、森林工業(yè)、數(shù)字城市中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)，測繪技術(shù)，工程測繪

隨著工程測繪要求的不斷提高，一些傳統(tǒng)的測繪技術(shù)很難達(dá)到發(fā)展的要求。近年來，越來越多的高科技新技術(shù)不斷應(yīng)用于工程測繪中。激光雷達(dá)測繪技術(shù)作為一種新型的測繪技術(shù)，逐漸發(fā)展成熟，并在工程測繪中成功應(yīng)用。

一、激光雷達(dá)測繪技術(shù)的簡介

1.激光雷達(dá)測繪關(guān)鍵技術(shù)的分析

（1）激光發(fā)射機(jī)技術(shù)?，F(xiàn)在，激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)選擇的光源主要是氣體激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器等。半導(dǎo)體激光器是一種小型化的激光器，工作物質(zhì)幾十種。主要激勵方式有電泵式、電注入式和高能電子束。大部分是電注入激勵。通過多年來研究，其得到了很大的發(fā)展。波長覆蓋范圍越來越大，各項的性能參數(shù)和輸出功率也得到不斷提到，應(yīng)用在某些重要領(lǐng)域。半導(dǎo)體泵浦固體激光器優(yōu)點是量子效率高，重量輕、體積小、穩(wěn)定可靠、工作壽命長，輸出地光束質(zhì)量好，已經(jīng)可以解決工程的應(yīng)用問題，是發(fā)展最快、前景最好的激光器。目前氣體激光器是一種種類最多，應(yīng)用最廣、輸出的激光波長最豐富的激光器。優(yōu)點是輸出波長的范圍很寬，氣體光學(xué)均勻性好，輸出光束質(zhì)量較好，穩(wěn)定性好等。

（2）空間掃描技術(shù)。掃描方式分為掃描體制和非掃描體制，目前國內(nèi)多采用掃描體制。應(yīng)用最多的是機(jī)械掃描方式，掃描頻率很高，能用不同機(jī)械結(jié)構(gòu)得到不同掃描圖樣。二元光學(xué)式新興重要分支，但目前工程應(yīng)用還不成熟，掃描角度小，透過率也較低。

（3）終端信息的處理技術(shù)。該處理系統(tǒng)不僅要同步協(xié)調(diào)控制各個傳動結(jié)構(gòu)、掃描機(jī)、激光器和各個信號處理電路，還要處理從接收機(jī)送出信息，目標(biāo)距離信息要努力獲取，同時還要完成錄取、產(chǎn)生及處理重構(gòu)系統(tǒng)的三維圖像數(shù)據(jù)。目前設(shè)計該系統(tǒng)主要采用計算機(jī)和大規(guī)模集成電路完成，用FPGA技術(shù)實現(xiàn)測距單元，同時還要采用精密測時的技術(shù)等。

（4）高靈敏度接收機(jī)的設(shè)計技術(shù)。接收單位由光電探測器、光學(xué)系統(tǒng)和回波檢測處理電路等等組成，設(shè)計基本要求是：高回波探測概率、高接受靈敏度以及低的虛警率。工程應(yīng)用中，要合理提高接收機(jī)的靈敏度來提高激光測距機(jī)性能。激光接收機(jī)核心部件是探測器，一定要合理選擇使用探測器。由于雪崩光電二極管有可靠性好、體積小、內(nèi)增益高等優(yōu)點，首選用在工程中。

2.國內(nèi)外目前典型激光雷達(dá)測量系統(tǒng)

由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)外的典型激光雷達(dá)主要表現(xiàn)在：火控激光雷達(dá)方面是激光雷達(dá)在火控的系統(tǒng)中同微波雷達(dá)和紅外系統(tǒng)的復(fù)合，它具有精度高，抗干擾的能力，適用于對超低空目標(biāo)、艦載系統(tǒng)等火控系統(tǒng)。還有遠(yuǎn)程精密跟蹤測量雷達(dá)，是美國海軍空間同司令部和彈道導(dǎo)彈的組織下，美國麻省理工學(xué)院實驗室研制的“火池”激光雷達(dá)，是一種大功率、寬帶、成像和測量距離的雷達(dá)，可以識別真假目標(biāo)和多彈頭。還有測風(fēng)激光雷達(dá)。20世紀(jì)90年代以來，隨著半導(dǎo)體二極管激光器的發(fā)展，解決了激光雷達(dá)的實用性。

二、激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用

1.基礎(chǔ)測繪

基礎(chǔ)測繪，是對工程測繪過程中的基本要求和基本目的的實現(xiàn)，一般來說，由于工程測繪是一種對待測物體的基本信息的搜集和整理的過程。所以在基礎(chǔ)測繪的階段，應(yīng)該實現(xiàn)對數(shù)字影像的基本反映和切割，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行初步的測繪地圖的形成。對于測繪工程來說，數(shù)字?jǐn)z影和測量的工作是非常繁瑣和重要的，所以要求實現(xiàn)對其基本線路和程序的嚴(yán)格設(shè)計和規(guī)劃，經(jīng)檢驗激光雷達(dá)技術(shù)可以根據(jù)數(shù)字三維坐標(biāo)的方式實現(xiàn)地面三維坐標(biāo)的定位。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影測量平臺，極大降低成本，在一般遙感圖像處理系統(tǒng)中就可以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。另外，高精度的激光點云數(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，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的判讀與測量，提高數(shù)據(jù)的采集效率與質(zhì)量。

2.精密工程的測量

很多精密工程的測量，都涉及到測量目標(biāo)的采集，并獲得三維坐標(biāo)信息或者三維物體模型，利用數(shù)碼相片獲得紋理信息，并與構(gòu)筑物模型實現(xiàn)疊加，以構(gòu)建三維模型，可有效實現(xiàn)對景觀的規(guī)劃分析、物體保護(hù)、形變測量、規(guī)劃決策等。例如激光雷達(dá)技術(shù)在鐵路設(shè)計、公路設(shè)計中提供的高精度地面高程模型，可便于線路的設(shè)計與施工方法精確計算。在電力線路設(shè)計過程中，利用激光雷達(dá)技術(shù)的成果數(shù)據(jù)可以對整個線路有所了解，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，根據(jù)電力線路中的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)點，以及對應(yīng)地面裸露點的高程，計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)估算出需要砍伐樹木的面積與木材量。

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)約型社會需要。也對促進(jìn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。近年來，我國礦業(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、財力都有所影響。若想解決這些問題，必須加強(qiáng)對數(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，實現(xiàn)塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)評價，對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，以及檢測滑坡地質(zhì)災(zāi)害等。

4.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)展與國土管理都需要森林及其樹冠下端地形的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)技術(shù)中很難獲得樹高及樹的密度的精確信息。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)勘測樹冠下的地形時，還可同時獲得樹的高度。在對數(shù)據(jù)的后處理中，獨立的激光返回值可分為地面返回值與植被返回值兩部分，并以此計算出更多林業(yè)相關(guān)信息，如樹高、材質(zhì)、樹冠覆蓋以及生態(tài)環(huán)境等，這些都是傳統(tǒng)攝影測量或者地面測量無法獲得的信息內(nèi)容。

5.數(shù)字城市建設(shè)的應(yīng)用

激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，提供了構(gòu)建數(shù)字城市最寶貴的空間信息資源，因此是數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)力量。數(shù)字城市，還需要構(gòu)建高精度、真三維、可量測，具有真實感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺。但是采用傳統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)行城市三維建模是精雕細(xì)琢的工藝，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影響了數(shù)字城市服務(wù)面的寬度和深度。利用激光雷達(dá)測繪技術(shù)對地面建筑物進(jìn)行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標(biāo)高密度高精度的三維點坐標(biāo)，在軟件支持下對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建和紋理映射，多方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實施快速動態(tài)史新，為數(shù)字城市建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的持續(xù)性、歷史性提供了確實的保障。

三、結(jié)束語

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，激光雷達(dá)測繪技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展。激光雷達(dá)測繪可得到高分辨率圖像，今后必將在軍事和民用各個方面得到更加廣闊的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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（1.作者身份證號碼：210111199010223414；

2.作者身份證號碼：211021199101085334）