工程測(cè)繪中激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)探討

梅 煒

（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局五總隊(duì)，貴州 安順 561000）

近年來，信息時(shí)代的到來改變了各行各業(yè)的發(fā)展方向，各種新型測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了工程測(cè)繪的現(xiàn)代化發(fā)展。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)是當(dāng)前工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，比如，在工程建筑、國防、航空等領(lǐng)域，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，滿足行業(yè)的精度要求。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)提高了測(cè)繪的精確性，在數(shù)據(jù)采集、處理等方面都充分應(yīng)用了現(xiàn)代化的技術(shù)手段，促進(jìn)了工程測(cè)繪領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展。

1 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的概述

1.1 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的概念

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用中，最為關(guān)鍵的是激光雷達(dá)，此激光雷達(dá)多為光頻波段雷達(dá)，從該種雷達(dá)的工作原理來看，其與微波雷達(dá)有著極高的相似性。在實(shí)際的運(yùn)行中，光頻波段電磁波實(shí)現(xiàn)了探測(cè)信號(hào)向目標(biāo)地點(diǎn)的傳輸，經(jīng)由接收到的同波信號(hào)、發(fā)射信號(hào)等的對(duì)比，能夠有效獲得與目標(biāo)所在空間位置相關(guān)的各種信息，通過這些信息的獲取，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤。激光測(cè)距機(jī)是激光雷達(dá)的簡化形式，其在實(shí)際的工作過程中，主要是以激光測(cè)繪技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠有效實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)的探測(cè)，通過對(duì)目標(biāo)實(shí)體的識(shí)別與跟蹤，能夠?yàn)楣こ虒?shí)踐等提供科學(xué)的參考。由于激光雷達(dá)的多樣性，在實(shí)際的探測(cè)任務(wù)中，往往需要根據(jù)目標(biāo)的具體情況與探測(cè)任務(wù)等，科學(xué)進(jìn)行激光雷達(dá)類型的選擇。

1.2 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的工作原理

激光雷達(dá)是激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)的簡稱，它通過測(cè)定傳感器發(fā)出的激光在傳感器與目標(biāo)物體之間的傳播距離，分析目標(biāo)地物表面的反射能量大小，反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，進(jìn)行目標(biāo)定位信息的精確解算，從而呈現(xiàn)目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。激光雷達(dá)主要分為兩種，一種是脈沖式測(cè)距，另一種是相位式測(cè)距。脈沖式測(cè)距通過激光器發(fā)射瞬時(shí)脈沖，并記錄返回信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的時(shí)間差直接來測(cè)定距離；而相位式測(cè)距是一種連續(xù)波的工作機(jī)制，通過記錄反射波和發(fā)射波之間的相位差間接來測(cè)定距離。

2 激光雷達(dá)測(cè)試測(cè)繪技術(shù)優(yōu)勢(shì)與種類

2.1 激光發(fā)射機(jī)技術(shù)

近年來，隨著激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的逐步擴(kuò)大，在測(cè)繪工程中，激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)所選擇的光源多為氣體激光器、半導(dǎo)體泵浦固體激光器。半導(dǎo)體激光器內(nèi)包含的工作物質(zhì)、激勵(lì)方式等都相對(duì)多樣，這就使得在將其作為發(fā)射機(jī)選擇光源的過程中，激光雷達(dá)的性能參數(shù)、輸出功率等更為科學(xué)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的優(yōu)化。此外，半導(dǎo)體泵浦固體激光器本身的量子效率較高，且其質(zhì)量相對(duì)較輕、體積小，在實(shí)際的測(cè)繪工作中，其光束質(zhì)量相對(duì)較高，因此，其在很多工程領(lǐng)域有著極為普遍的應(yīng)用。

2.2 空間掃描技術(shù)

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用中，空間掃描技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)掃描方式確定以后，其掃描技術(shù)往往包含了掃描體制與非掃描體制兩種。從當(dāng)前的應(yīng)用來看，掃描體制的應(yīng)用相對(duì)較多，尤其是機(jī)械掃描方式的應(yīng)用，具有極高的掃描頻率。在機(jī)械掃描方式的應(yīng)用中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)等往往存在著一定的差異性，這就使得在掃描以后，所獲得的掃描圖樣等也存在著一定的差別。

2.3 終端信息的處理技術(shù)

對(duì)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)而言，終端信息處理技術(shù)極為重要，其在實(shí)際的測(cè)繪工作中，起著重要的數(shù)據(jù)獲取、處理等作用。比如，在激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用中，各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、掃描機(jī)、激光器等必須要實(shí)現(xiàn)同步與協(xié)調(diào)，方能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)終端處理信息技術(shù)的有效應(yīng)用，發(fā)揮其在信息數(shù)據(jù)獲取等方面的重要作用。但是，在該技術(shù)的應(yīng)用過程中，要重視重構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)的三維圖像數(shù)據(jù)，借助于先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理等手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息的有效利用，發(fā)揮最大的數(shù)據(jù)價(jià)值。當(dāng)前，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)等的優(yōu)勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)與集成電路之間的連接。

3 工程測(cè)繪中激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用

3.1 基礎(chǔ)測(cè)繪

近年來，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在很多工程領(lǐng)域得到了應(yīng)用，比如基礎(chǔ)測(cè)繪中，首先要對(duì)被測(cè)實(shí)體的數(shù)字影像等加以反映與切割，進(jìn)而根據(jù)這些信息建立初步的測(cè)繪地圖。因此，在基礎(chǔ)測(cè)繪的實(shí)施過程中，航空攝影測(cè)量等是其中的核心技術(shù)與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在航空攝影操作等環(huán)節(jié)相對(duì)具有一定的復(fù)雜性，為了提高測(cè)繪的整體精度，有關(guān)測(cè)繪人員在實(shí)施基礎(chǔ)測(cè)繪之前，要根據(jù)測(cè)繪的目標(biāo)范圍，科學(xué)進(jìn)行測(cè)繪方案等的選擇與設(shè)計(jì)，從而使得在測(cè)繪的過程中，相關(guān)人員能夠以三維坐標(biāo)方式來進(jìn)行地面三維坐標(biāo)的精準(zhǔn)定位。激光雷達(dá)技術(shù)在基礎(chǔ)測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用，可以為有關(guān)測(cè)繪人員提供精準(zhǔn)的地面三維坐標(biāo)信息，這種信息的獲取有效實(shí)現(xiàn)了高精度影像微分糾正處理，使得在測(cè)繪過程中不需要根據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方式來獲得數(shù)字正射影像，在一定程度上使得基礎(chǔ)測(cè)繪的流程逐步減少，實(shí)現(xiàn)了測(cè)繪成本等的有效控制，提高了測(cè)繪的整體效率。此外，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用過程中，通過高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)了地面實(shí)體的三維信息獲取，保障了基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的完整性與精確性。

3.2 精密測(cè)繪

在一些工程測(cè)繪領(lǐng)域，對(duì)于測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度等有著較高的要求，尤其是在精密測(cè)繪中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在我國，精密測(cè)繪往往包含了水文測(cè)量、電力選線、文物考古等，在這些工程領(lǐng)域，測(cè)繪工作往往需要獲取三維坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，尤其是在地底與水下作業(yè)環(huán)節(jié)，由于其對(duì)于測(cè)繪精度有著較高的要求，傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)受到技術(shù)限制，無法獲得準(zhǔn)確的測(cè)繪數(shù)據(jù)。在這種情況下，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在復(fù)雜地形、惡劣自然條件下，該測(cè)繪技術(shù)依舊能夠順利開展相應(yīng)的測(cè)繪工作，并能夠及時(shí)有效地獲得被測(cè)實(shí)體的數(shù)據(jù)信息。比如，在鐵路設(shè)計(jì)中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用可以幫助有關(guān)的工程人員及時(shí)獲得鐵路沿線的相關(guān)信息，包含公共區(qū)域內(nèi)地形要素的勘測(cè)等，借助于激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，能夠及時(shí)獲得鐵路各個(gè)地段內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，這些測(cè)繪結(jié)果，為后期工程項(xiàng)目的實(shí)施中數(shù)字高程模型的建立等提供了重要的參考，使得鐵路路線的設(shè)計(jì)更為科學(xué)，有效保障了工程項(xiàng)目的順利實(shí)施。再比如，在電力選線的設(shè)計(jì)上，通過激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，有關(guān)人員可以及時(shí)進(jìn)行線路布局信息的獲取，進(jìn)而在后期的線路維護(hù)與搶修環(huán)節(jié)，充分應(yīng)用激光雷達(dá)所獲得的測(cè)繪數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線路與地面距離的精準(zhǔn)計(jì)算。在樹木密集區(qū)域內(nèi)，激光雷達(dá)測(cè)繪的技術(shù)優(yōu)勢(shì)更為明顯。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)相比，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)具有更高的靈活性，有關(guān)人員應(yīng)用此測(cè)繪數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.3 礦山測(cè)繪

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)生活中對(duì)于各類礦山資源的需求量逐步增加。而在礦山資源的開發(fā)過程中，如果在開采的過程中不注重對(duì)先進(jìn)開采技術(shù)的應(yīng)用，就會(huì)導(dǎo)致在礦產(chǎn)資源的開發(fā)過程中，存在著對(duì)周邊環(huán)境的破壞，引發(fā)更為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。因此，在礦山行業(yè)的發(fā)展過程中，為改變這種局面，一些礦山企業(yè)逐步引入了一些先進(jìn)的開采技術(shù)，并在開采過程中遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，逐步加快了數(shù)字礦山建設(shè)。數(shù)字礦山建設(shè)的過程中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用能夠發(fā)揮極好的技術(shù)效果，通過應(yīng)用此測(cè)繪技術(shù)，有關(guān)開采人員可以根據(jù)此測(cè)繪數(shù)據(jù)掌握礦區(qū)地表地下的全面信息。通過激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，構(gòu)建三維虛擬礦山模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)開采的指導(dǎo)。在數(shù)字化礦山建設(shè)中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)有效提高了礦山信息的可靠性，保障了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的科學(xué)性，有效預(yù)防了礦山開采中各種災(zāi)害的發(fā)生。

3.4 城市工程測(cè)繪

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，各個(gè)城市逐步推進(jìn)了智慧城市建設(shè)，在智慧城市建設(shè)中，最為關(guān)鍵的就是城市相關(guān)信息的獲取。對(duì)城市而言，其包含的數(shù)據(jù)種類較多、且數(shù)據(jù)量龐大，因此，對(duì)城市測(cè)繪而言，其任務(wù)繁重，在測(cè)繪過程中需要投入大量的人力、物力等資源。當(dāng)前，隨著激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)步，在城市測(cè)繪中，該技術(shù)充分發(fā)揮了其在測(cè)繪工程中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，節(jié)約了測(cè)繪資源，提高了測(cè)繪的工作效率等，有效保障了測(cè)繪工作的順利進(jìn)行，為城市建設(shè)與發(fā)展提供了重要的數(shù)據(jù)支撐，加快推進(jìn)了城市的現(xiàn)代化發(fā)展。

4 結(jié)束語

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的出現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的局限性，可以更為快速、準(zhǔn)確地獲得被測(cè)實(shí)體的三維坐標(biāo)信息，為工程實(shí)踐等提供重要的數(shù)據(jù)參考?；诩す饫走_(dá)測(cè)繪技術(shù)的先進(jìn)性，該種測(cè)繪技術(shù)在很多領(lǐng)域都得到了極為普遍的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工程測(cè)繪領(lǐng)域的變革，推動(dòng)了工程測(cè)繪的現(xiàn)代化發(fā)展。