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

楊立波

（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

高效、高質(zhì)量的測(cè)繪結(jié)果是工程測(cè)繪工作開(kāi)展的直接目標(biāo)，基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的、數(shù)字化的測(cè)繪技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，較傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)而言，在測(cè)繪效率、測(cè)繪精度以及復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，本文主要選取激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)為研究對(duì)象，其可高精度、全要素、多維度、快速獲取地物信息，得到了大范圍推廣應(yīng)用，加強(qiáng)相關(guān)應(yīng)用分析具有重要意義。

1 激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，主要是利用移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)展測(cè)量工作，可快速、大面積獲取測(cè)量目標(biāo)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)，主要組成部分包括激光器、激光發(fā)射機(jī)與接收機(jī)、光束整形與激光擴(kuò)束裝置、光電探測(cè)器、回波檢測(cè)處理電路、計(jì)算機(jī)控制與信息處理裝置等。

在激光雷達(dá)測(cè)繪中，主要是利用計(jì)算機(jī)分析回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理，提取有用信息，為后期精密圖像繪制做好基礎(chǔ)工作，本文主要就工程測(cè)繪中激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用展開(kāi)具體論述。

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

近些年，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)不斷發(fā)展、完善，下文主要就其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與流程做了簡(jiǎn)單分析。

2.1 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)特點(diǎn)

激光雷達(dá)測(cè)繪是一種高效、高精度的測(cè)繪技術(shù)，其主要應(yīng)用特點(diǎn)可歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，探測(cè)距離可達(dá)數(shù)千米，且單一視角下可獲取三維坐標(biāo)。

（2）采集數(shù)據(jù)量大，每秒可測(cè)量數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。

（3）分辨率、精度高，激光雷達(dá)可同時(shí)追蹤兩個(gè)及其以上目標(biāo)，不會(huì)因此出現(xiàn)分辨率下降的情況。

（4）主動(dòng)式探測(cè)、抗干擾能力強(qiáng)，不受自然光、太陽(yáng)高度角的影響，可24h全天候作業(yè)。

（5）數(shù)字化采集、兼容性好，測(cè)繪效率高，后期處理與輸出便利。

（6）激光雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕，可采用機(jī)載、車(chē)載、船載、人工背負(fù)等多種平臺(tái)。

2.2 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)流程

基于上文分析可知，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中優(yōu)勢(shì)顯著，目前已經(jīng)得到了廣泛推廣應(yīng)用。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用流程可歸納如下：激光掃描→獲取高密度、高精度激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與高分辨率數(shù)碼影像→數(shù)據(jù)處理→生產(chǎn)所需高精度數(shù)字化產(chǎn)品。以常用的機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)為例，其具體應(yīng)用要點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：根據(jù)工程測(cè)繪背景與任務(wù)要求，合理選擇激光雷達(dá)系統(tǒng)、飛行平臺(tái)，落實(shí)控制測(cè)量與航線(xiàn)設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)采集的有效性。

（2）數(shù)據(jù)處理：激光雷達(dá)掃描獲取的是原始激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類(lèi)處理，獲得精化后激光點(diǎn)云。

（3）高精度數(shù)字化產(chǎn)品生產(chǎn)：包括數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像（DOM）、數(shù)字線(xiàn)劃圖DLG和地面線(xiàn)等。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目背景

本文僅以某水利水電工程項(xiàng)目測(cè)繪為例展開(kāi)分析。本工程為“十三五”重大建設(shè)項(xiàng)目，水電站裝機(jī)容量2400MW，屬于抽水蓄能電站。本項(xiàng)目測(cè)繪難度較大，測(cè)區(qū)偏僻、交通不便、植被茂盛，根據(jù)綜合分析決定采用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，其可較好適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，穿透部分植被，采集數(shù)據(jù)密度大、精度高、分辨率高，滿(mǎn)足測(cè)繪需求。

3.2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪方案

結(jié)合項(xiàng)區(qū)域?qū)嶋H情況與測(cè)繪要求分析，決定采用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪方案：

（1）本項(xiàng)目選用掃描鷹HS-1600機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，并配備了1臺(tái)飛思數(shù)碼航攝相機(jī)，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)施坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、粗分類(lèi)和精分類(lèi)后，生成等高線(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)、構(gòu)建TIN，生成DEM、等高線(xiàn)和高程點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（3）影像數(shù)據(jù)實(shí)施畸變校正、開(kāi)展空中三角測(cè)量，構(gòu)建立體像對(duì)，立體采集地物信息。

（4）對(duì)點(diǎn)云生成地貌圖與地物圖進(jìn)行套合，獲得地形圖。

3.3 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

本項(xiàng)目測(cè)區(qū)20km2，劃分為12個(gè)子測(cè)區(qū)，具體航攝參數(shù)如下：

（1）相對(duì)航高：550m。

（2）激光發(fā)射頻率：100kHz。

（3）影像旁向重疊度：35。

（4）航向分辨率：65。

取測(cè)區(qū)下庫(kù)處一個(gè)控制點(diǎn)設(shè)置1臺(tái)地面基站；測(cè)區(qū)分3個(gè)架次實(shí)施數(shù)據(jù)采集，飛行時(shí)間超過(guò)4h。

3.3.2 點(diǎn)云處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：采用Trimble Applanix軟件POSPAC解算軌跡數(shù)據(jù)，采用RIPROCESS解算各航帶數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接：采用RIPROCESS拼接模塊進(jìn)行處理，合理調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)平面匹配，確保掃描數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)與原始地形數(shù)據(jù)吻合。

（3）激光點(diǎn)云分類(lèi)：采用噪聲點(diǎn)濾波方法，將低點(diǎn)、空中點(diǎn)、移動(dòng)地物點(diǎn)分離；通過(guò)反射強(qiáng)度、回波次數(shù)、地物形狀等參數(shù)的綜合自動(dòng)分析，分類(lèi)植被茂密區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；所有分類(lèi)出的地面點(diǎn)建立TIN，高程突變區(qū)做好參數(shù)調(diào)整，自動(dòng)分類(lèi)不理想?yún)^(qū)人工編輯。

3.3.3 影像處理

本項(xiàng)目各測(cè)區(qū)構(gòu)建區(qū)域網(wǎng)實(shí)施空中三角測(cè)量，空三像方匹配后獲取正射影像，調(diào)整色彩、亮度等參數(shù)，鑲嵌數(shù)字正射影像，確保無(wú)明顯拼接跡象。

3.3.4 精度分析

（1）點(diǎn)云精度：本項(xiàng)目有效平面檢查點(diǎn)共計(jì)57個(gè)，點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2，高程精度良好，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表2 點(diǎn)云高程精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

（2）地形圖精度：采用外業(yè)實(shí)測(cè)方式檢查地形圖精度，結(jié)果見(jiàn)表3，平面坐標(biāo)、高程精度良好，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 地形圖平面精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)具有精度高、效率高、適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)，在工程測(cè)繪中應(yīng)用廣泛。根據(jù)工程實(shí)踐可知，激光雷達(dá)測(cè)繪平臺(tái)眾多，包括：機(jī)載、車(chē)載、船載、人工背負(fù)等，可根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇；測(cè)繪過(guò)程中，嚴(yán)格根據(jù)測(cè)區(qū)情況做好系統(tǒng)選型、數(shù)據(jù)采集工作，科學(xué)開(kāi)展點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)處理工作，保證測(cè)繪成果質(zhì)量與精度滿(mǎn)足要求。