基于LIDAR技術的三維地圖建模方法研究

陳華宏

摘要：在這個科技飛速發展的時代，使用傳統的城市建模方法已經跟不上這個充滿大數據時代的腳步，近年來三維地圖建筑方法稱為其領域上的一個研究熱點，采用三維的方式進行城市建模可以讓人們直觀的去進行感受，通過LIDAR技術來對三維地圖建模進行更加深入的研究。

關鍵詞：LIDAR技術;三維地圖建模;城市數據

中圖分類號：P208?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）04-0027-01

Abstract：in this era of rapid development of science and technology， the use of traditional urban modeling method has already can't keep up with the pace of the era of large data， this is in recent years， three-dimensional map building method known as a research hotspot of the field， with the method of 3 d city modeling can make feelings， to let people intuitively by LIDAR technology for modeling 3 d map for more in-depth research.

Key words：LIDAR technology;3d map modeling;The city data

1 引言

一個全新的的概念“數字地球”在20世紀80年代被提出，自此以后許多相似的概念也就相繼被提出，隨著我國經濟水平的不斷提高，城市的發展也有了一個新的突破，目前城市作為我們的主要生活和活動區域，城市的經濟、政治以及文化等方面都能突出這個國家的經濟文化方面的建設。由于“數字地球”的出現，“數字城市”與我們的生活有著緊密聯系。為了給當代人們更好的生活體驗，基于LIDAR技術的三維地圖建模方法來進行研究，更加完善城市的信息化和提高城市的建設水平。

2 LIDAR技術

2.1 LIDAR技術的含義。LIDAR（激光雷達）是一種將激光、全球定位系統和慣性導航系統三種技術集于一身的系統，用于獲得數據并生成精確的DEM（一定范圍內規則格網點的平面坐標及其高程的數據集，其主要是描述區域地貌形態的空間分布，是通過等高線或相似立體模型進行數據采集，然后進行數據內插而形成的）。這三種技術的結合，可以高度準確地去定位激光束打在物體上的光斑。它又分為兩種系統，一個是目前日臻成熟的用于獲得地面數字高程模型（DEM）的地形LIDAR系統，另一個是已經成熟應用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統，這兩種系統共同的特點都是利用激光來進行探測和測量。

激光雷達是“光探測和測距”的簡稱，早先將其稱為光雷達，因為那時使用的光源均為非激光。自激光器出現以來，激光作為高亮度、低發散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以現在的光雷達均使用激光器作光源，名稱也就統稱為激光雷達了。

LIDAR可以分為機載和地面這兩類，其中機載激光雷達是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統，可以量測地面物體的三維坐標。機載LIDAR是一種主動式對地觀測系統，是九十年代初首先由西方國家發展起來并投入商業化應用的一門新興技術。它將激光測距技術、計算機技術、慣性測量單元（IMU） /DGPS差分定位技術集于一體，該技術在三維空間信息的實時獲取方面有著重大的突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術手段。它具有自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、精度高等特點。機載LIDAR傳感器發射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數據。機載LIDAR數據經過相關軟件數據處理后，可以生成高精度的數字地面模型DTM、等高線圖，具有傳統攝影測量和地面常規測量技術無法取代的優越性。機載激光雷達技術的商業化應用，使航測制圖如生成DEM、等高線和地物要素的自動提取更加便捷，其地面數據通過軟件處理很容易合并到各種數字圖中。

2.2 LIDAR技術的過程。激光雷達進行測量的基本作用過程就是作為光源的激光器發出特定的波長光束，射向目標，該波長的光同目標相互作用之后，有一部分光與發射光束相反的方向反射回接收裝置，經探測后就可獲得目標的有關信息。

2.3 LIDAR技術的特點及原理。LIDAR技術的特點就是利用激光進行探測和測量。激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區別，即由雷達發射系統發送一個信號，經目標反射后被接收系統收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這也是直接探測型雷達的基本工作原理。因為光速是已知的，所以根據發射光的發出時間和后向散射光的接收時間的時間差就可計算出激光器與目標的距離，這就是激光雷達能測距的原理。

3 三維地圖建模

3.1三維地圖建模的含義。三維地圖模型是在以二維地理信息為基礎制作出的一種三維模型，經過程序開發，已發展成為三維地理信息系統，可以利用此系統進行分析城市的自然要素和建設要素，用戶通過交互操作，得到一種真實、直觀的虛擬城市環境感受。其研究的核心內容都是要以數字化的形式再現三維空間世界以及在三維空間中的應用模擬，滿足各個應用領域的需要。對城市地形、地物實現數字化三維模擬，可以提供一個與真實生活環境類似的虛擬城市環境，"建筑的形態、高度、空間尺度等一目了然，很直觀"，為城市規劃、建設與運營決策等提供三維信息服務，這樣就比傳統的城市建模更加的便捷和準確。

3.2三維地圖建模的意義。傳統的三維地圖建模的主要數據來源于高分辨率遙感衛星影像、二維調繪地圖數據等，這是一項重大的工程，需要巨大的資金支持、繁復的技術以及大量的人力資源，而技術的水平高低直接影像著城市建模的最終效果以及完成進度，關鍵是受到影響因素具有不可控性，實際運用起來有著很大的局限性。

在LIDAR技術上的三維地圖建模已經運用到各種不同的領域，用于城市的規劃、旅游、城市管理、城市環境動態變化研究等，對于城市規劃，三維地圖建模可以對城市的未來形態規劃進行預演，消失的城市形態也可以重新模擬出來，并且可以根據規劃成果隨時進行修改，從而獲得城市規劃方案調整的科學依據，使得城市規劃更具有前瞻性。由此可以看出，三維地圖建模對于城市各方面的發展都有著重要的意義。對于城市管理，三維地圖建模技術可以完成城市災害事件和突發事件的動態模擬，實現城市各種信息的可視化查詢，為政府對城市管理工作提供服務。

4 小結

基于LIDAR技術的三維地圖建模的方法，可以有效的提升模型的精確度，降低生產成本，而且可以給人以直觀的感受，增強人們的體驗感，較好地彌補了傳統城市建模方法的不足之處。由于這個大數據時代，數據方面會越來越完善，在三維地圖建模的過程中提供的數據也更加精準，速度也越來越快，并且會運用到更加廣泛的領域上，有著廣闊的發展前景和應用需求。

參考文獻：

[1]杜金蓮，徐碩，趙楓朝.基于二維數字地圖的三維城市建模方法研究[J].系統仿真學報，2018，30（10）：3710-3716.

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