激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的運(yùn)用分析

楊勇 楊水

（山東省國(guó)土測(cè)繪院，山東 濟(jì)南 250102）

一、激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容

（一）非機(jī)械掃描方式

非機(jī)械掃描方式中最為典型的是聲光掃描，利用聲光效應(yīng)，當(dāng)聲波通過(guò)聲光介質(zhì)后就會(huì)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(shuō)明光束在通過(guò)介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)衍射效應(yīng)，超聲波聲場(chǎng)發(fā)生改變。掃描設(shè)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(shí)，介質(zhì)內(nèi)的衍射光就會(huì)互相干涉，留下0級(jí)和1 級(jí)的衍射光。聲光掃描屬于無(wú)關(guān)性掃描，掃描速度比較快，且視場(chǎng)角比較小。與之相比，另一種常見的非機(jī)械掃描方式是電光掃描，利用晶體的電光效應(yīng)，將出射光束偏轉(zhuǎn)后進(jìn)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(guò)晶體的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生相位差。電光晶體處于電場(chǎng)中，出射光角度發(fā)生變化，這種變化與電場(chǎng)之間密切相關(guān)。光束通過(guò)晶體產(chǎn)生相位差的變化，激光出射角也會(huì)隨之偏轉(zhuǎn)。

（二）機(jī)械掃描方式

以振鏡掃描為例，其中一端和掃描電機(jī)連接，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)振鏡的偏轉(zhuǎn)。此時(shí)，激光會(huì)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(dòng)的振鏡上，之后通過(guò)反射，到達(dá)沿Y 周旋轉(zhuǎn)振鏡之上，以這一過(guò)程中通過(guò)相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)二維平面掃描。不過(guò)考慮到靈活性方面的要求，其結(jié)構(gòu)冗余的問(wèn)題與掃描頻率問(wèn)題應(yīng)進(jìn)行控制。

二、激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪的運(yùn)用分析

（一）基礎(chǔ)工程測(cè)繪

在實(shí)際工程的測(cè)繪中可以看出，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以在基礎(chǔ)測(cè)繪工程中得以應(yīng)用，主要包括數(shù)字正射影響、數(shù)字線劃地圖等。對(duì)于數(shù)字正射影像來(lái)說(shuō)，必然離不開高精度的三維技術(shù)。其中比較典型的就是數(shù)字正射影像的獲得，主要是依靠地形的信息條件。通常，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作的程序比較復(fù)雜，因此在實(shí)際的工作中對(duì)于設(shè)計(jì)和技術(shù)路線的要求也比較高。而且，對(duì)于測(cè)繪工作人員也提出了更高的要求，相關(guān)的設(shè)備不僅需要滿足高精度的微分糾正，還可以促進(jìn)影響的生成。

（二）精密工程測(cè)量

精密工程與目標(biāo)采集之間密切相關(guān)，精密工程的三維坐標(biāo)信息和模型可以通過(guò)測(cè)量來(lái)獲取結(jié)果。包括建筑測(cè)量、水文測(cè)量、沉降測(cè)量以及變形測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域之內(nèi)。激光雷達(dá)技術(shù)的使用，能夠有效解決這一系列問(wèn)題。激光雷達(dá)技術(shù)能運(yùn)用數(shù)碼照相技術(shù)獲取紋理數(shù)據(jù)，通過(guò)與建筑模型的疊加，創(chuàng)建三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)實(shí)體的規(guī)劃分析和決策、以及變形測(cè)量等動(dòng)作。例如在鐵路設(shè)計(jì)工程中，通過(guò)激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地面狀況的分析和模擬，為鐵路線路的設(shè)計(jì)和實(shí)際施工提供了依據(jù)。

（三）城市建設(shè)規(guī)劃

現(xiàn)代社會(huì)的工程建設(shè)中，空間信息的作用更加明確，也成為了城市建設(shè)過(guò)程中的有效參數(shù)信息。激光雷達(dá)測(cè)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(shè)數(shù)字三維城市過(guò)程中，為了能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)空間的開發(fā)、利用，利用激光雷達(dá)技術(shù)獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)成三維城市的基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行分析測(cè)量后構(gòu)件數(shù)字高程模型、建筑體模型。相比與傳統(tǒng)技術(shù)，在坐標(biāo)系方面實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變，可以用測(cè)區(qū)均勻分布的控制點(diǎn)與坐標(biāo)點(diǎn)作為基本參數(shù)，確定好坐標(biāo)，在測(cè)量過(guò)程中點(diǎn)云也包括了多種類型，如城市建筑點(diǎn)、植被點(diǎn)、地面點(diǎn)等，最終則可以提取地面信息，將地面點(diǎn)云劃分為地面點(diǎn)、非地面點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，在分層完畢后進(jìn)行測(cè)繪。雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)因建筑物密度過(guò)高產(chǎn)生一定的誤差，但是只需要通過(guò)人工審核并展開修改，就能維持分類結(jié)果的準(zhǔn)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(jìn)行判斷，在三維立體軟件中進(jìn)行編輯生成不同的框架模型等。

（四）森林工業(yè)應(yīng)用

機(jī)械激光雷達(dá)系統(tǒng)在森林工業(yè)中也可以得到有效應(yīng)用。由于工程中要獲取到森林下端地形信息，對(duì)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(huì)干擾到結(jié)果獲取過(guò)程。然而借助激光雷達(dá)系統(tǒng)，技術(shù)人員甚至可以透過(guò)樹冠來(lái)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)以及生態(tài)環(huán)境等。例如，在森林生物量的分析過(guò)程當(dāng)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(dá)數(shù)據(jù)的出現(xiàn)減少了離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)受到的參數(shù)估測(cè)影響，可以記錄地物的波形和強(qiáng)度，以波形分析結(jié)果來(lái)獲取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)。未來(lái)的工作中還可以借助多源遙感數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用，進(jìn)一步提升雷達(dá)數(shù)據(jù)在部分茂林地區(qū)的精確度，或是選擇機(jī)器學(xué)習(xí)法，在不同區(qū)域的訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析時(shí)獲得不受影響的估測(cè)模型和算法結(jié)果，實(shí)現(xiàn)大面積推廣。

（五）電力系統(tǒng)工程測(cè)繪

在電力工程施工規(guī)劃中，對(duì)線路的測(cè)量一般會(huì)采用直升機(jī)上的激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這主要是因?yàn)椋鄙龣C(jī)搭載的激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠沿著電力線路的走向進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于其他測(cè)量方式而言，較具靈活性優(yōu)勢(shì)，能依據(jù)實(shí)際測(cè)量需求隨時(shí)調(diào)整直升機(jī)的高度以及飛行速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量精度和測(cè)量效率的有效控制，同時(shí)也能節(jié)約測(cè)量成本。

三、結(jié)語(yǔ)

總之，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到測(cè)繪行業(yè)中，可以滿足日益提高的工程測(cè)繪要求，要促進(jìn)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展。無(wú)論是在哪個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，都能圍繞基礎(chǔ)測(cè)繪的要求進(jìn)行系統(tǒng)化研究，發(fā)揮其數(shù)字處理的自動(dòng)化特性，發(fā)揮高精密度、低成本特點(diǎn)。