激光雷達測量技術及運用研究分析

劉項楠

山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第五地質(zhì)大隊 山東 泰安 271000

引言

激光雷達測量技術最初被應用于測距工作中，該項技術具有高角、高分辨率等特征，利用機載系統(tǒng)與定位技術，便可以在較遠距離對地表執(zhí)行高精準度的測量，可以實時獲取各類測量參數(shù)與地表數(shù)據(jù)信息。此類搭載式激光雷達測量系統(tǒng)，還可以穿過樹木等遮擋物，直接獲取地表的三維信息，在實際應用中具有極高價值。

1 激光雷達測量技術簡介

1.1 激光雷達測量技術的應用價值

激光雷達，即激光陣列距離掃描儀（Laser Range Scanner），作為一項全新的高科技技術，能有效作用于三維空間目標的實時監(jiān)測及詳細數(shù)據(jù)測量工作中。如機載或星載系統(tǒng)，配合定位技術、遙感技術，便可完成大范圍下高精度的數(shù)字化地表模型信息實時獲取。整體而言，激光雷達測量技術能量發(fā)散較小、測量準度較高，具有極強的抗電磁干擾能力。從這一層面上講，激光雷達測量技術具有傳統(tǒng)攝影測量技術不可取代的優(yōu)勢。另外，地面車載或其他移動系統(tǒng)，可作用于城市道路、隧道或大型建筑等較為復雜的三維空間目標的實時監(jiān)測以及數(shù)字模型化建設。而其他固體小型激光雷達測量系統(tǒng)，可送至各類模具中，能夠有效實現(xiàn)模具內(nèi)的三維測量，并作用于自動化生產(chǎn)線的日常管理工作之中。此類技術還可結合虛擬現(xiàn)實、人工智能等先進科技，建立大范圍自然災害等氣候環(huán)境方面的三維監(jiān)測系統(tǒng)。綜上，該項技術與傳統(tǒng)的距離測量技術有著本質(zhì)上的差別，此類并無合作目標的激光掃描測量，為空間信息獲取途徑開辟了嶄新的道路，既能有效提高測量的精準度，還能夠確保信息獲取的及時性。

在實際應用之中，該項技術已經(jīng)發(fā)展至智能交通、城市化建設、工業(yè)測量、測繪專業(yè)、氣象監(jiān)測、軍事等多個領域之中。當前，在科學技術的不斷創(chuàng)新、發(fā)展之下，許多專業(yè)領域的研發(fā)公司，在激光雷達測量技術的研究中，投入了大量資金及人力成本，致力于提高激光雷達測量的精準度，由此可見，激光雷達測技術的發(fā)展前景極好。

1.2 激光雷達檢測技術的各類組成成分

激光雷達測量技術由硬件與軟件設備共同組成。硬件設備以速度傳感器、微機等為主，而軟件設備以數(shù)據(jù)采集及三維重建模塊為主。

傳感器中包含激光發(fā)射器、旋轉(zhuǎn)機構、反光鏡、光電接收裝置以及數(shù)據(jù)采集傳輸裝置。實際應用時，激光雷達上電后，便會由激光發(fā)射器向外發(fā)散出離散的激光束，隨后該激光束會通過旋轉(zhuǎn)機構，呈倒八字形輻射至周邊環(huán)境中[1]。在激光束前進過程中，如遇障礙物，便會由于光的反射作用被反射至原點。此時，光電接收器便會接收到這類反射信號，并完成該光電信號的數(shù)字化處理，這正是激光雷達測量技術中數(shù)據(jù)處理模塊的主要工作內(nèi)容。

光電接收器接收到的激光束會作為數(shù)據(jù)采集程序的觸發(fā)信號，在信號讀取、記錄、轉(zhuǎn)化后，將其變?yōu)樗璧臄?shù)據(jù)類型。該模塊是激光雷達測量技術中的核心組成部分，可以對采集得來的數(shù)據(jù)信息進行計算及簡單處理，甚至可以對比被測量目標的三維體積信息。數(shù)據(jù)信息處理結束后，會通過三維顯示模塊傳輸至顯示屏上，這一模塊是激光雷達測量數(shù)據(jù)結果的輸出模塊，為激光雷達測量技術得出的各項數(shù)據(jù)成果，提供了直觀的可視化查看場所，能夠直接將被測量物體的大小、距離、體積等各項數(shù)據(jù)或動態(tài)變化參數(shù)呈現(xiàn)在屏幕之中。

2 激光雷達測量技術要點

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

當前，我國的激光雷達測量技術可分為機載激光掃描技術以及作用于地面的三維激光雷達測繪技術兩種。

作用于地面的三維激光雷達測繪技術，以激光掃描器與距離傳感器為主要結構，用于獲取被測量目標的表層數(shù)據(jù)。激光掃描測量技術利用微電腦，對輸出距離、角度等數(shù)據(jù)資料做出系統(tǒng)處理，將其與距離傳感器測量的數(shù)據(jù)匹配過后，再獲取被測量目標表面的三維空間坐標數(shù)據(jù)，以此便可以對該目標做出測量、計算，并基于測量數(shù)據(jù)，建立立體模型。工作人員會基于項目實際需求，了解被測量區(qū)域的結構、環(huán)境、GPS信號的遮擋情況等重要數(shù)據(jù)，隨后，根據(jù)現(xiàn)場情況糾正點布設，以便于工作人員施測[2]。

機載系統(tǒng)激光雷達測量技術，將激光掃描測量系統(tǒng)、INS慣導系統(tǒng)、CCD數(shù)字相與DGPS系統(tǒng)相結合，利用激光掃描測量系統(tǒng)，獲取被測量目標的地表三維數(shù)據(jù)信息，隨后利用DGPS系統(tǒng)實時定位，實現(xiàn)動態(tài)化監(jiān)督。最后，通過INS系統(tǒng)測定姿態(tài)參數(shù)，并利用CCD相機取得地面影像。該項技術對掃描測量時，對應用的激光發(fā)射器及各類數(shù)碼設備的要求較高，高精度的設備方能提高測量結果的準確度。在實際應用過程中，為了提高該項技術檢測數(shù)據(jù)的完整度，工作人員需要根據(jù)該項目使用的激光掃描儀及數(shù)碼設備的技術參數(shù)指標，計算適宜的飛行高度，確保機載三維激光掃描的數(shù)據(jù)檢測范圍，能夠完全覆蓋被檢測目標。布設基站點位時，要求工作人員注意，相鄰的GNSS基站間隔不可大于30km，線位起點和終點以及起點終點的地面基站之間距離應小于25km。同時，為避免地面基站在工作時出現(xiàn)故障，現(xiàn)場應建設兩個以上的地面基站，方能完成本次測量。最后，為提高測量精度，要求工作人員在被檢測目標區(qū)域內(nèi)，加設多個參考面，對激光點云數(shù)據(jù)做出實時的精度檢測及控制，通常參考面間距為6～10km之間。

2.2 激光雷達數(shù)據(jù)處理

激光雷達測量技術在實際應用時，需要提取地面的激光點。工作人員需要對地面激光點進行精準分類，并使用激光點云生成橫斷面，通過比較真實地面以及地物之間的高程差、相鄰激光點或點集的高程差搭建網(wǎng)絡，利用適宜的數(shù)據(jù)分析、計算規(guī)則，便可將混合在同一斷面中的地面點與非地面點區(qū)別開來，可以有效提取到更加準確的地面激光點[3]。而在這一過程中，激光點云錯分或漏分，都會直接影響橫斷面的生成效果，導致數(shù)據(jù)精度不足。在測量時，激光點云錯分則會導致橫斷面中夾雜著部分非地面點，致使橫斷面高程遠遠高于實際地面位置。而激光點云漏分，則會導致橫斷面中地面激光點位較少，會導致橫斷面精細度不足。為了減少在實際工作過程中，激光點錯分、漏分現(xiàn)象，施工人員可以使用激光點自動粗分類系統(tǒng)與人工檢查相結合的方式，二者共同作用，設計人機交互檢查。首先，施工人員可以使用專業(yè)的技術軟件，完成激光點云中數(shù)據(jù)信息的自動粗分類，將激光點云數(shù)據(jù)大體分為地面點與非地面點兩種，隨后再由人工操作，對各項數(shù)據(jù)進行二次檢驗，以此提高地面激光點分類的精細度。

激光雷達測量技術的數(shù)據(jù)處理時，針對地表植被茂密區(qū)域，需要工作人員使用高精度DEM渲染，輔助人工檢查技術，進一步提高橫斷面整體的清晰度。雖然實際上，DEM內(nèi)插點精度遠遠低于地面激光點，但是在各類外業(yè)實測時，受地理環(huán)境、周邊建筑等客觀因素影響，工作人員難以確定實測地形的內(nèi)部特征結構，此時使用DEM內(nèi)插點，可以確保橫斷面的精細度滿足測量要求。高精度的DEM構建，需要工作人員先完成地面激光點數(shù)據(jù)的精分類處理，并構建不規(guī)則三角網(wǎng)，隨后，在三角網(wǎng)內(nèi)插生成DEM[4]。針對部分地表植被茂密區(qū)域，地表激光點云的密度較低，不能完整的體現(xiàn)地表狀態(tài)，便難以完成精細化測量。這時，工作人員便可以利用外業(yè)實測中已經(jīng)得到的中樁點和地表特征線等各項數(shù)據(jù)生成DEM，便可以大大提高橫斷面的精細度，確保實際測量結果的準確性、有效性。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

激光雷達測量技術中的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，需要經(jīng)過軌跡解算、點云處理、靶標糾正三步，最后再針對本次測量工作開展精度評價，確保測量工作中各項數(shù)據(jù)的精準度滿足標準，數(shù)據(jù)齊全、完整性高，測量過程與結果均符合國家標準。

軌跡解算時，需要工作人員提前完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的預處理等工作，隨后，將數(shù)據(jù)信息整合，使用導航解算軟件開始解算。解算后，使用軟件自帶的預估算功能，對本次解算成果進行粗略判斷。若結算偏差值超過限額，需要工作人員手動調(diào)整數(shù)據(jù)參數(shù)，并再次解算。軌跡解算完成后，將生成WGS84坐標系統(tǒng)的初始點云數(shù)據(jù)，而點云處理工作，需要工作人員將點云的坐標系統(tǒng)手動轉(zhuǎn)換至目標坐標系中。最后，工作人員需要檢測點云的高層平面精度，若精度不足，便需要使用專業(yè)的點云后處理軟件進行靶標糾正。

3 激光雷達測量技術在各領域的運用分析

3.1 在生活領域中運用激光雷達測量技術

激光雷達測量技術在生活中的運用也十分廣泛。比如，現(xiàn)在很多家庭都安裝了智能家居設備，這些設備中的很多都采用了激光雷達測量技術。比較有代表性的——智能掃地機器人，利用激光雷達進行地形和空間的建模，以實現(xiàn)自主導航和規(guī)劃清掃路線。此外，激光雷達測量技術還可以在家庭安全監(jiān)控系統(tǒng)中進行應用，通過對房間內(nèi)物體的掃描，實現(xiàn)智能偵測和監(jiān)控，讓家庭更加安全、舒適。此外，激光雷達技術還可用于無人機的導航和遙感測量，從而為生活中的許多領域提供更加精確和高效的數(shù)據(jù)支持。由此可見，激光雷達測量技術是一項多功能、高精度的測量技術，它已經(jīng)被廣泛應用于我們的生活和工作中。隨著科技的不斷發(fā)展和進步，激光雷達測量技術將為我們的生活和工作帶來更多的變革和進步。

3.2 在大氣環(huán)境監(jiān)測中運用激光雷達測量技術

大氣環(huán)境監(jiān)測中運用激光雷達測量技術，能夠檢測大氣中的各類污染物分布情況。大氣污染的主要因素便是空氣中存在的氣溶膠，工作人員可以使用激光發(fā)射器，發(fā)出兩種不同波長的激光束[5]。其中一束激光束的波長需要調(diào)整為待測物體收納的波段，另一束波長需要調(diào)整到吸收系數(shù)較小的邊翼范圍內(nèi)，隨后，將這兩種波長的激光束交替發(fā)射至大氣環(huán)境中，便可以通過測量激光束傳回的信號，計算出大氣中氣溶膠物質(zhì)的分布濃度。另外，激光雷達測量技術也可以應用于氣象監(jiān)測系統(tǒng)中，為氣溫、風速等氣象預測工作，提供更加準確的數(shù)據(jù)信息。

3.3 在測繪領域中運用激光雷達測量技術

測繪行業(yè)中，激光雷達測量技術的運用范圍最廣，該技術在我國工程測繪領域內(nèi)發(fā)揮出了極大的效果，能夠有效完成外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理等，可以在短時間內(nèi)獲取更加精準完整的測量數(shù)據(jù)，以輔助工程建設。激光雷達測量技術，能夠與GPS定位技術有效結合，及時、快速、準確地獲取三維地面信息。在城市道路規(guī)劃、城市現(xiàn)代化建設、隧道工程施工中，對地表信息做出實時監(jiān)控，并構建出三維立體模型。機載激光雷達測量技術可以作用于大面積的地形測繪工作中，因此，該項技術還可以作用于城市三維重建及布局項目中，是現(xiàn)當代三維城市建設工作中的主要技術手段，可以有效推進城市的現(xiàn)代化建設進程。

4 結束語

激光雷達測量技術精準度高、及時性強，在現(xiàn)代化社會發(fā)展中具有不可替代的作用價值。如今，該項技術已經(jīng)被廣泛應用于各個行業(yè)中，但我國對該項技術的研發(fā)和應用依然處于起步階段，距離發(fā)達國家仍有一定距離。因此，相關從業(yè)人員需加大該技術的研究力度，認真學習該技術的專業(yè)知識，并積極探索技術創(chuàng)新方法，確保該技術可以在未來發(fā)揮出更多價值。