探討激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用

摘要：對激光雷達測量技術發展史進行了總結，對雷達技術原理進行了講解，之后經過重重試驗專研，實現了一個激光雷達測量系統的全面運作效果，廣泛應用于各形式的測量工作中。從實踐得出，激光雷達測量技術在測量精度、自動化程度以及測量數據可視化等方面要明顯優越于傳統測量方法，并且極大地減輕了勞動強度，提高了工作效率。

關鍵詞：激光雷達 工程測繪 應用

中圖分類號：P236 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-0-01

激光雷達技術的英文縮寫為Lidar，屬于高配置高原理集成系統，成為如今數碼測繪技術的典型代表技術。Lidar系統的空間位置是由記載GPS提供的，lidar激光的方向引導依靠慣性測量技術。此外，激光系統負責激光脈沖的供給，計算機系統提供高速、大規模數據存儲空間與處理能力。充分利用lidar激光雷達技術，可以使空間三維坐標在同時間、快速且精確的獲得。依照實地取得的數碼攝影像片，經計算機全面操作，實現大型實體及場景目標的3D數據模型，展示設計生活中真實存在的事物形態，以保證快速獲取空間信息的效果。

1 激光雷達技術（lidar）的原理

Lidar屬于集激光，是由全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS）為一體的系統，主要用來獲取數據來源，并實現清晰的DEM。彼此的密切配合，能夠很清楚的指定激光速在物體上留下的擊打痕跡。還可以分為能夠獲取地面數字高程模型（DEM）的地形LIDAR系統和已經成熟應用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統，以上系統均是依靠激光展開探測和測量。激光自身就具有高精度的測量功能，測距精確度可以實現不足4 cm的效果。但是Lidar系統的精確水平不僅僅由于單純激光作用，還需慣性測量單元（IMU）三者共同發揮作用。

Lidar系統含有單束窄帶激光器（1個）和接收系統（1個）。激光器實現光脈沖的產生并發射，迅速擊打物體表面后，發射到原處，最后將由接收器處理。光脈沖發射出之后直到發射原地時所用時間均有接收器進行精確的測量和統計。由于光脈沖憑借光速傳播，因此，下一個光脈沖發射之前的上一次光脈沖所用時間已經被接聽器所測量記錄下來了。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。

2 激光雷達的發展過程

第1代激光雷達1967年由美國國際電話和電報公司研制，用于開發航天飛行器交會對接的激光雷達，1978年NASA/MFSC研制出了用于同一目的的CO2干涉激光雷達。1976年用于研究地球科學的星載激光雷達一經問世就得到重視，NASA和NOAA委托美國無線電公司和帕新-愛而莫公司開發用于測量全球對流層風場的CO2相干激光雷達.1988年NASA研制出激光大氣風探測器，空間分辨率達到1000 m左右。20世紀90年代，由于全固體激光技術和二極管泵浦全固態技術的發展，較好地解決了制約星載激光雷達的壽命問題，顯示出巨大的經濟效益和軍事價值。

3 激光雷達技術在工程測繪中的應用

3.1 快速獲取數字高程模型

激光點云數據屬于Lidar技術最具有特點的數據類產品，其特點表現為高密度且高精度數據產物、能夠極快速的顯示出清晰明了的點位的三維坐標構架。經人工交替操作或自動運行，將人放射到地面植物中或建筑物之類的地形之外目標上的點云統一分類、濾波或清除，之后構建二角網TIN，就能及時得到DEM。因為激光點密度非常大，數目比較繁多，DEM的生成也成為了現實。

3.2 基礎測繪的實施

基礎測繪的產品不僅僅有數字高程模型，還有數字正射影像（DOM）、數字線劃地圖（DLG）和數字柵格地圖（DRG）。無論是DOM還是DLG產品的運行，均離不開高精度三維信息的協助和引導。數字攝影測量操作流程比較復雜，設備的前期準備及技術規劃方案都極為嚴格，對技術工作人員的操作水平要求大大提高；對于機載激光雷達技術處理過的數據，得到的三維坐標，均能夠達到高精度影像微分糾正的需要，然而DOM的生產變得越來越簡易化，不再依靠數字攝影測量，在一般的遙感圖像處理系統中即能實現規模化生產。

3.3 精密工程測量

據了解，大多數精密工程在測量環節中，不但離不開三維坐標信息的輔助，還需要施工期間建立完整的三維物體結構架，例如：礦山及隧道路線的劃分和測量、水文、沉降及建筑工程等行業。以上測量中的種種問題均可以依靠地面和記載Lidar解決。收集實踐中整理的紋理信息和構筑物體模型統一進行配置，建立合理科學的三維模型，也是在景觀調查、場景布局及保護物體模型的關鍵根據所在。

4 結語

不難發現，激光雷達技術的發展趨勢將呈現出自動化。自能化的形式，類似與其他工程科學技術，關于激光雷達的理論研究等知識模塊，經過對長期的生產實際問題的處理和安排，也在慢慢走向成熟穩定的發展軌道。對測繪及其余負責部門，激光雷達技術仍均有廣泛的挖掘潛力，之后出現的數據處理、信息的收集整理以及類似問題都需要眾多科學研究人員的不懈努力而得到化解。激光雷達理論研究在國內尚處于起步階段，需要大量科研工作者和生產技術人員通過科學研究和生產實踐的密切結合，來促進激光雷達技術更好地為相關領域的信息化服務。Lidar技術已被廣泛應用到測繪領域的各個角落，成為科技工作者認可的先進集成測量技術，其發展前景極為樂觀，然而蘊含著強大的競爭實力。目前，國際上市公司已在投入最大物力和人力展開技術與系統完美結合的專研和策劃，并影響與諸多科技工作者的好奇心。

但是，國內對于Lidar技術的了解和掌握熟練程度遠遠落后與發達國家，而我國在LIDAR技術方面的應用研究同國際發達國家相比相對落后，為使LIDAR技術今后能有效地服務于我國的國民經濟建設，開展激光測高技術的應用研究以及激光測高數據處理的方法研究具有非常重要的理論價值和現實意義。

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