探討工程測繪中激光雷達(dá)測繪技術(shù)

夏勤浩

(海寧市中圖測繪有限公司 浙江海寧 314400)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者基于激光雷達(dá)模式進(jìn)行一定程度的簡化，設(shè)計(jì)出了激光雷達(dá)測距機(jī)。通過光頻波段雷達(dá)，向需要測量的目標(biāo)發(fā)射探測信號。然后將發(fā)射的電磁信號與接收到的測量目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以便充分了解測量目標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)。但是，不同類型的雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用過程中也有著不同的效果。因此人們要合理選擇雷達(dá)類型，以確保激光雷達(dá)測量的準(zhǔn)確性。

1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)

1.1 高靈敏度接收機(jī)

高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)的接收單位是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器與回波檢測處理電路組成，高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)要求是接收靈敏度高、虛警報(bào)率低和回波探測概率高。

1.2 地面三維激光掃描技術(shù)

地面上的3D激光掃描技術(shù)也稱為真實(shí)場景復(fù)制技術(shù)。其是以3D激光掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等為基礎(chǔ)的一種非常有效的快速測量技術(shù)。同時，可以高速激光掃描技術(shù)快速掃描被測對象并在最快的時間內(nèi)獲取和建立測量數(shù)據(jù)。拍攝完成后，將獲取的圖像反饋到三維數(shù)字系統(tǒng)，并進(jìn)行二次處理和確認(rèn)，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.3 機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)

通過雷達(dá)掃描技術(shù)捕捉返回的光脈沖以獲得測量目標(biāo)的具體數(shù)據(jù)，在獲得有關(guān)測繪目標(biāo)的信息之后，可以使用數(shù)碼相機(jī)獲取成像信息，完成所有這些步驟后，將通過數(shù)字信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以最大程度地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 激光雷達(dá)測繪技術(shù)的原理

使用激光進(jìn)行工程測量的明顯優(yōu)勢是精度非常高，大面積的定位測距的誤差可以小于4cm。激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)測量的精確度是多方面保證的，不僅使用激光高精度測量，而且再由慣性測量單元一起發(fā)揮效果。激光雷達(dá)測繪系統(tǒng)的工作原理是激光器發(fā)射激光脈沖打擊在物體表面，然后反射回接收器表面，接收器接收到激光脈沖信號，記錄下時間，然后根據(jù)公式精確計(jì)算出被測物體距離并統(tǒng)計(jì)。

其最大的優(yōu)勢就是能夠?qū)Ρ粶y對象實(shí)現(xiàn)實(shí)時準(zhǔn)確定位。通過全球定位系統(tǒng),能夠有效獲取被測對象所在位置信息,同時對被測對象的確切位置進(jìn)行詳細(xì)的定位,具有較高的準(zhǔn)確性,通過對于被測對象相關(guān)聯(lián)位置的測繪,能夠?qū)Ρ粶y對象進(jìn)行動態(tài)的實(shí)時定位。

3 在工程測繪中的應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)測繪

基礎(chǔ)測繪是一個比較復(fù)雜、重要的過程，因此要對基礎(chǔ)測繪的線路和流程進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過大量實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)測繪計(jì)算能利用數(shù)字3D坐標(biāo)完成坐標(biāo)定位工作。機(jī)載激光雷達(dá)測繪技術(shù)得出的地面三維坐標(biāo)不僅實(shí)現(xiàn)高精度影像微分糾正功能，而且更容易產(chǎn)生數(shù)字正射影像，不需要借助數(shù)字?jǐn)z字影像切割和反映，并進(jìn)一步形成測繪地圖。

3.2 精密工程的測量

測量目標(biāo)采集在緊密工程測繪中是必須要開展的工作，利用測量目標(biāo)采集可以得到物體的三維模型和三維坐標(biāo)信息。

比如激光雷達(dá)測繪技術(shù)在高速公路線路設(shè)計(jì)和鐵路線路選擇設(shè)計(jì)方面可以提供非常高的精度的地面高程模型，這樣可以為高速公路及鐵路線路設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)提供科學(xué)、精確的測繪數(shù)據(jù)。在電力輸電線路設(shè)計(jì)過程中需要使用激光雷達(dá)測繪技術(shù)得出相關(guān)測繪參數(shù)信息，根據(jù)這些測繪參數(shù)信息對整個線路有一個全面的了解，主要包括線路周邊的地形地貌、公共區(qū)的地物等。

3.3 數(shù)字礦山的構(gòu)建

目前我國礦山系統(tǒng)因資源枯竭功能受到限制，對礦山產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分不利?？赏ㄟ^利用建筑物模型與地面分層相結(jié)合來建模、匹配及融合，進(jìn)而對礦山塌陷區(qū)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行合理評價，并對塌陷導(dǎo)致的地面裂縫、土地侵蝕展開分析，清楚了解塌陷區(qū)建筑物被破壞的具體情況和山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害情況。

3.4 電力傳輸與管道布圖

除了測量和繪制電力工程中的電路組件設(shè)施外，還需要測量和規(guī)劃內(nèi)部電力傳輸管道。并且由于復(fù)雜的工程環(huán)境和許多不安全的元素，這也是傳統(tǒng)的線路測繪任務(wù)中困難的地方。

而使用機(jī)載空中雷達(dá)掃描技術(shù)可以使不利的地理環(huán)境因素的影響最大化地減少。由于電路通常存在于建筑物的內(nèi)部或地下，因此在實(shí)施雷達(dá)測量時，一般都使用直升機(jī)或無人機(jī)進(jìn)行測量，其中，雷達(dá)系統(tǒng)起著重要的作用。

勘測電力線時，飛行設(shè)備應(yīng)從頭到尾沿著電力傳輸線和管道傳輸方向飛行，以避免測量偏移影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對于較薄弱傳輸線，可以根據(jù)輸出強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)發(fā)射激光的強(qiáng)度。為了確保收集效果，應(yīng)注意飛行設(shè)備的高度和速度。

3.5 森林工業(yè)的應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)不僅可以獲取樹冠下的地形，而且還能獲取樹高信息。利用激光返回值可以得到植被返回值和地面返回值，然后可以計(jì)算出樹木材質(zhì)、樹高、生態(tài)環(huán)境參數(shù)和樹冠覆蓋率等信息，傳統(tǒng)的衛(wèi)星測繪無法獲取這些信息。

3.6 模擬城市建設(shè)

為了使城市建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)更加合理科學(xué)，相關(guān)部門將激光雷達(dá)測繪技應(yīng)用到城市建設(shè)規(guī)劃中。相關(guān)部門可以應(yīng)用雷達(dá)測繪技術(shù)，有效地對準(zhǔn)備規(guī)劃的地區(qū)進(jìn)行測繪。并通過對未來城市發(fā)展的模擬，為政府提供更合理的城市建設(shè)計(jì)劃。

城市測繪保障工作對精度的要求很高，尤其是對大范圍測繪中銜接位置的精度是有最低要求的，因此在測繪工作完成之后普遍需要選點(diǎn)進(jìn)行測繪精度檢驗(yàn)，在這一過程中機(jī)載激光雷達(dá)攝影測繪的作用突出。具體而言可以借助無人機(jī)對相同區(qū)域不同測繪形式的測繪結(jié)果進(jìn)行復(fù)檢，也可以借助無人機(jī)不同區(qū)域相同測繪形式的結(jié)果進(jìn)行復(fù)檢，當(dāng)前的檢驗(yàn)主要包括DOM正射影像圖、DLG數(shù)字規(guī)劃圖的成像精度，檢驗(yàn)方式采用CNSS設(shè)備連接CORS定位服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，然后利用公共數(shù)據(jù)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將測繪數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，觀察兩者之間的差值是否在允許的范圍之內(nèi)。

3.7 進(jìn)行數(shù)字高程建模

數(shù)字高度建模使建筑單位可以分析建筑過程的各個環(huán)節(jié)。通過此技術(shù)，可以利用激光點(diǎn)快速收集數(shù)據(jù)并建立三維坐標(biāo)。創(chuàng)建基于TIN規(guī)則網(wǎng)格的模型首先需要創(chuàng)建一個區(qū)域TIN網(wǎng)格，然后對TIN中網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行三角形分塊范圍的高程內(nèi)插。DEM內(nèi)插法是根據(jù)參考點(diǎn)的高程確定其他待定點(diǎn)的高程，這是一個數(shù)學(xué)插值問題。任何插值方法都基于相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在較大的相關(guān)性，以便通過從相鄰點(diǎn)的數(shù)據(jù)中內(nèi)插出待定點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建基于等高線分布的采樣點(diǎn)首先需要根據(jù)等高線的特性設(shè)置DEM。設(shè)置DEM的三種常見方法是：高線離散化法、等高線內(nèi)插法、等高線構(gòu)建TIN法等。實(shí)際上，中等高線內(nèi)插補(bǔ)通常使用兩種方法：一種是沿預(yù)定軸向直接進(jìn)行等高線內(nèi)插。另一種方法是沿內(nèi)插點(diǎn)最陡坡度進(jìn)行內(nèi)插，該方法首先沿相鄰等高線搜索最陡坡度的兩個點(diǎn)，然后根據(jù)這兩個點(diǎn)線性內(nèi)插出格網(wǎng)點(diǎn)的高程值。

4 結(jié)語

隨著社會及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在工程測繪領(lǐng)域淘汰了一些傳統(tǒng)落后的工程測繪技術(shù)，引進(jìn)了一些先進(jìn)工程測繪技術(shù)，激光雷達(dá)測繪技術(shù)就是其中之一?？傊ㄟ^對這些主題的深入討論和客觀的解釋，表明了激光雷達(dá)測繪的良好適用性。因此，在提高測繪業(yè)務(wù)水平，豐富測繪手段的過程中，要注意改善其基礎(chǔ)設(shè)施。