激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的運用探析

閆利祥

摘要：我國的工程測繪技術(shù)隨著激光機在工程中的應用得到了廣泛的發(fā)展，而激光雷達技術(shù)也被作為一種新型激光技術(shù)形式被應用至工程測量活動中。有鑒于此，本文首先論述旅了激光雷達測繪技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，然后探討激光雷達測繪技術(shù)在現(xiàn)代工程測繪的具體應用，了解該技術(shù)在工程中的發(fā)展優(yōu)勢，從而促進工程領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。

Abstract： Engineering surveying and mapping technology in China has been widely developed with the application of laser machines in engineering， and lidar technology has also been applied to engineering surveying activities as a new form of laser technology. In view of this， this article first discusses the relevant content of lidar surveying and mapping technology， and then discusses the specific application of lidar surveying and mapping technology in modern engineering surveying and mapping， and understands the development advantages of this technology in engineering， thereby promoting the sustainable development of the engineering field.

關(guān)鍵詞：激光雷達測繪技術(shù);工程測繪;運用

0? 引言

激光探測作為一種高精度的測量技術(shù)，以激光作為載波信號，在地質(zhì)領(lǐng)域、水文領(lǐng)域、航天工程領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛應用，也是當前復雜環(huán)境下最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一。通過激光雷達測繪，可以獲取目標的不同運動參數(shù)信息，也可以獲取目標的形狀特征參數(shù)，在今后的應用也會更加廣泛。

1? 激光雷達測繪技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

激光雷達，即在測量的過程中利用相同光頻波段的雷達技術(shù)發(fā)送電磁波，待測點接收到電磁波之后可以根據(jù)不同的返回方式對數(shù)據(jù)信息展開研究。該技術(shù)的特點在于能夠快速獲取待測物體的相關(guān)內(nèi)容，例如包括距離、體積等不同參數(shù)信息，了解動態(tài)信息的變化趨勢并采取實施跟蹤。在這種工作原理之下，激光測距機等設備也得到了廣泛應用。

在實際工作當中，雷達的形式不同也可以進行系統(tǒng)化分類。例如，按照發(fā)射波形的不同可以劃分為連續(xù)波雷達、脈沖雷達、脈沖壓縮雷達等，按照安裝平臺的差異則可以劃分為機載雷達、地面雷達等。工程測繪工作中如果單獨使用激光雷達技術(shù)可以取得穩(wěn)定的成果，但也可以將該技術(shù)和其它技術(shù)配合應用，效果更佳穩(wěn)定，具體需求以工程實際要求為參考標準。

1.1 非機械掃描方式

非機械掃描方式中最為典型的是聲光掃描，利用聲光效應，當聲波通過聲光介質(zhì)后就會影響到介質(zhì)的疏密程度，如果衍射光的角度和頻率發(fā)生變化，說明光束在通過介質(zhì)時出現(xiàn)衍射效應，超聲波聲場發(fā)生改變。掃描設備就是基于這一原理制作而成。激光入射角和聲波面的夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)的衍射光就會互相干涉，留下0級和1級的衍射光。聲光掃描屬于無關(guān)性掃描，掃描速度比較快，且視場角比較小。

與之相比，另一種常見的非機械掃描方式是電光掃描，利用晶體的電光效應，將出射光束偏轉(zhuǎn)后進行掃描。光束在晶體中某些方向的折射率發(fā)生改變，因此通過晶體的過程會產(chǎn)生相位差。電光晶體處于電場中，出射光角度發(fā)生變化，這種變化與電場之間密切相關(guān)。光束通過晶體產(chǎn)生相位差的變化，激光出射角也會隨之偏轉(zhuǎn)。

1.2 機械掃描方式

以振鏡掃描為例，其中一端和掃描電機連接，通過電機轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)振鏡的偏轉(zhuǎn)。此時，激光會隨著鏡面反射讓出射角改變。激光光束首先投射至沿X軸轉(zhuǎn)動的振鏡上，之后通過反射，到達沿Y周旋轉(zhuǎn)振鏡之上，以這一過程中通過相互配合來實現(xiàn)二維平面掃描。不過考慮到靈活性方面的要求，其結(jié)構(gòu)冗余的問題與掃描頻率問題應進行控制。

2? 激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪的具體應用

2.1 基礎測繪

基礎測繪可以滿足測繪工作的一般工作要求，借助不同的技術(shù)手段來對待測物體的信息進行收集，用于滿足后續(xù)的工作需求。在工作開始的階段，需要對數(shù)字影像進行切割，然后以此為基礎來構(gòu)建相應的測繪地圖。測繪工程中的數(shù)字攝影、測量工作直觀重要。激光雷達測繪技術(shù)可以對線路和程序進行嚴格規(guī)劃，例如通過機載激光雷達技術(shù)可以構(gòu)建數(shù)字三維坐標，對地面地物進行定位，即便工作進度要求較高，也可以滿足相應要求，不影響結(jié)果的有效性，在遙感圖像、系統(tǒng)處理的過程中都可以實現(xiàn)規(guī)?；瘧?。激光點云數(shù)據(jù)還可以被應用于地物、植被信息的測繪過程中，充分利用這些資源也能給結(jié)果精確性的提升提供技術(shù)支持，保障數(shù)據(jù)采集的效率質(zhì)量。從機載激光雷達技術(shù)的處理方式來看，雷達點可以發(fā)射到地面地物較多的區(qū)域內(nèi)，最后反射回來的為地面點。相比于地物點，地面點可以被作為起算點，同時是最低點。高程值較低的激光雷達點中可以提取原始的地表面信息，然后設置好地面坡度閾值進行迭代運算，直至最后尋找到合理的地面。實際工作中可以在小區(qū)域內(nèi)實驗分類參數(shù)，然后使用Macro批處理命令對數(shù)據(jù)進行分類數(shù)據(jù)。激光雷達測繪技術(shù)的作業(yè)周期短、進度高，在商業(yè)應用中扮演著重要的角色，地面數(shù)據(jù)可以通過軟件合并到不同類型的數(shù)字圖當中，對于提升數(shù)據(jù)分類精度作用明顯，是基礎測繪的關(guān)鍵手段。

2.2 精密工程測量

精密工程與目標采集之間密切相關(guān)，精密工程的三維坐標信息和模型可以通過測量來獲取結(jié)果。包括建筑測量、水文測量、沉降測量、變形測量等多個領(lǐng)域之內(nèi)。前文所提到的機載激光雷達技術(shù)和地面激光雷達技術(shù)都可以發(fā)揮有效作用，通過數(shù)碼相片，相關(guān)技術(shù)人員可以獲取紋理信息，以此為基礎構(gòu)建三維模型，可以對景觀規(guī)劃進行分析，從而確定后續(xù)的工作計劃。例如在工程設計當中，可以提供高精度的地面高程模型，通過測量公共區(qū)域內(nèi)的地物、地形特征信息、地面裸露點高程等來了解整個區(qū)域環(huán)境的信息，通過信息結(jié)果計算出目標區(qū)域離地面的高度，更好地為工程提供技術(shù)支持。即便是建筑物非常密集或地物密集的范圍內(nèi)，激光雷達也可以成功估算出工程的開展方案等。例如，在房地一體測量工作中，可以按照項目的實際需求與現(xiàn)場環(huán)境，合理地選擇基準站點和相應的作業(yè)模式，在勘查現(xiàn)場環(huán)境之后綜合考慮不同對于影響因素，選擇某種作業(yè)模式進行數(shù)據(jù)采集。雖然背包作業(yè)模式可以獲取更加豐富的地物信息，不過地面GPS信號容易受到干擾，可以選擇地面布孔的方式增加點云的精確程度。具體要結(jié)合設備和地貌情況展開參數(shù)計算，綜合分析靜態(tài)基站的數(shù)據(jù)質(zhì)量、高程擬合進度、坐標轉(zhuǎn)換進度等。數(shù)據(jù)采集完成后獲得原始基站數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)，進行慣導解算后獲得采集軌跡數(shù)據(jù)。綜合來看，激光雷達設備可以高密度且高精度地獲取地面三維數(shù)據(jù)，在房地一體測量工作中具有極高的應用價值，在其它精密工程中也可以發(fā)揮顯著效果。

2.3 森林工業(yè)應用

機械激光雷達系統(tǒng)在森林工業(yè)中也可以得到有效應用。由于工程中要獲取到森林下端地形信息，對于精度的要求比較高。如果選擇傳統(tǒng)技術(shù)手段，樹的高度、密度、環(huán)境因素等都會干擾到結(jié)果獲取過程。然而借助激光雷達系統(tǒng)，技術(shù)人員甚至可以透過樹冠來勘察樹冠之下的地形特征，包括獲取樹的高度信息等。在后續(xù)工作中也可以獲取更多的林業(yè)信息，如材質(zhì)、生態(tài)環(huán)境等。例如，在森林生物量的分析過程當中，可以建立其單木生物量模型，用于大規(guī)模范圍內(nèi)的森林資源篩查工作。小光斑雷達數(shù)據(jù)的出現(xiàn)減少了離散點云數(shù)據(jù)受到的參數(shù)估測影響，可以記錄地物的波形和強度，以波形分析結(jié)果來獲取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)。未來的工作中還可以借助多源遙感數(shù)據(jù)的綜合應用，進一步地提升雷達數(shù)據(jù)在部分茂林地區(qū)的精確度，或是選擇機器學習法，在不同區(qū)域的訓練數(shù)據(jù)分析時獲得不受影響的估測模型和算法結(jié)果，實現(xiàn)大面積推廣。

2.4 城市建設規(guī)劃

現(xiàn)代社會的工程建設中，空間信息的作用更加明確，也成為了城市建設過程中的有效參數(shù)信息。激光雷達測繪技術(shù)有助于獲取精度更高的地面模型和數(shù)字影像，獲取空間信息資源。例如，在建設數(shù)字三維城市過程中，為了能更好地實現(xiàn)對空間的開發(fā)、利用，利用激光雷達技術(shù)獲取高密度的點云數(shù)據(jù)，構(gòu)成三維城市的基礎參數(shù)，進行分析測量后構(gòu)件數(shù)字高程模型、建筑體模型。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在坐標系方面實現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，可以用測區(qū)均勻分布的控制點與坐標點作為基本參數(shù)，確定好坐標，在測量過程中點云也包括了多種類型，如城市建筑點、植被點、地面點等，最終則可以提取地面信息，將地面點云劃分為地面點、非地面點、噪聲點，在分層完畢后進行測繪。雖然點云數(shù)據(jù)會因建筑物密度過高產(chǎn)生一定的誤差，但只需要通過人工審核并展開修改，就能維持分類結(jié)果的準確性。建筑體框架模型的制作結(jié)束后，可以按照城市圖形數(shù)據(jù)進行判斷，在三維立體軟件中進行編輯生成不同的框架模型等。

2.5 電力傳輸與管道布設

在電力傳輸或是管道布設工作當中，可以借助直升機平臺工作下的激光雷達系統(tǒng)來獲取有關(guān)信息，數(shù)據(jù)結(jié)果可以更加精確。與此同時也能依靠使用數(shù)字相機、傳感設備完成線路的檢查和制圖工作。在實際的工程應用當中，可以對激光點云數(shù)據(jù)進行分類，包括地表數(shù)據(jù)與非地表數(shù)據(jù)，以此為基礎生成Digital Elevation Model數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)獲取航空數(shù)碼影響的外方位元素，或是利用激光點云數(shù)據(jù)提取線路周圍的道路信息、房屋信息、植被信息等。和傳統(tǒng)攝影相比，優(yōu)化選線環(huán)節(jié)中技術(shù)人員能大量減少調(diào)繪的工作量，實現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)的構(gòu)建。另外，由于不需要航外像控測量工作，作業(yè)成本隨之降低。

3? 結(jié)語

綜上所述，通過分析，我們不難看出激光雷達技術(shù)在現(xiàn)代測繪工程中扮演著關(guān)鍵角色，從其應用原理和應用優(yōu)勢中，我們也應該明確未來的發(fā)展方向，推動激光雷達技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。無論是在哪個行業(yè)和領(lǐng)域，都能圍繞基礎測繪的要求進行系統(tǒng)化研究，發(fā)揮其數(shù)字處理的自動化特性，發(fā)揮高精密度、低成本特點。國外在這一方面已經(jīng)進行了較為成熟的技術(shù)研究，我國也可以適當?shù)貐⒖紘鴥?nèi)外的先進方案，從系統(tǒng)構(gòu)建、設備使用等角度強化應用優(yōu)勢。

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