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

唐 燚

（江西核工業(yè)二六八測(cè)繪院，江西 撫州 316000）

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)使基于全球定位系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基礎(chǔ)上形成的，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)能夠精準(zhǔn)的獲取相關(guān)測(cè)繪信息，同時(shí)實(shí)現(xiàn)清晰的DEM。兩者有效結(jié)合，能夠清晰地指定激光束，將擊打痕跡留于物體上。對(duì)于激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)系統(tǒng)而言主要包括，地形激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)與水文激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)，前者能夠精確地獲取地面數(shù)字高程模型，后者能夠有效獲取水下DEM，這兩個(gè)系統(tǒng)都是以激光為前提，開展探測(cè)于測(cè)量的，激光在測(cè)量過程當(dāng)中有著非常高的精度，而且測(cè)量距離能夠達(dá)到4cm精度范圍以內(nèi)。然而激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)高精度性，不完全是單純通過激光作用來實(shí)現(xiàn)，還應(yīng)當(dāng)慣性測(cè)量單元發(fā)揮作用[1]。對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)而言，其主要有單束窄帶激光器（1個(gè)）和接收系統(tǒng)（1個(gè)）所組成。脈沖的產(chǎn)生以及發(fā)射通過激光器來實(shí)現(xiàn)，并對(duì)物體表面快速敲擊，發(fā)設(shè)置原有位置，并在接收器下進(jìn)行處理，發(fā)射光脈沖之后，直至向原來位置進(jìn)行發(fā)射，應(yīng)用的時(shí)間都會(huì)通過接收器開展精準(zhǔn)的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)工作，由于光脈沖是通過光速來實(shí)現(xiàn)傳播的，所以發(fā)射下一脈沖之前，接收器已經(jīng)記錄下來上次脈沖所應(yīng)用的時(shí)間，完成測(cè)量，因光速是已知的，因此傳播時(shí)間，能夠?qū)崿F(xiàn)距離測(cè)量的轉(zhuǎn)換。

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

1.1 精密工程測(cè)繪

在精密工程測(cè)繪過程當(dāng)中利用激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，能夠大大提升測(cè)繪的精準(zhǔn)性，而且發(fā)揮數(shù)碼相機(jī)影像拍攝功能，能夠?qū)y(cè)繪物體本身的紋理信息充分獲取，來對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行構(gòu)筑，提高了測(cè)繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和全面性。

1.2 礦山數(shù)字化測(cè)繪

在當(dāng)前新的發(fā)展形勢(shì)下，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)日漸完善起來，同時(shí)對(duì)資源需求量也在不斷加大，礦山資源開采規(guī)模也在日漸提升，開采深度越來越大，但是礦產(chǎn)資源短缺問題卻沒有得到根本性的解決，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形成很大阻礙，更嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境，更不利于礦山持續(xù)健康發(fā)展。因此在工作實(shí)際有關(guān)部門應(yīng)當(dāng)不斷進(jìn)行改革與創(chuàng)新，大力推進(jìn)數(shù)字化礦山建設(shè)[2]。而將激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，可以快速的對(duì)礦山有關(guān)信息數(shù)據(jù)及時(shí)的采集，同時(shí)開展系統(tǒng)整合于有關(guān)分析與處理，針對(duì)性地進(jìn)行三維數(shù)字模型構(gòu)建，對(duì)礦山的實(shí)際區(qū)域充分確定，對(duì)礦山頂部有關(guān)信息數(shù)據(jù)及時(shí)提取，礦山模型重新構(gòu)建，通過不同層次對(duì)礦山模型以及地面模型有效整合，來對(duì)礦山實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，對(duì)于塌陷區(qū)的損壞程度進(jìn)行有效檢測(cè)，對(duì)礦山災(zāi)害及時(shí)做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，指導(dǎo)災(zāi)害防治。

1.3 森林工業(yè)

森林工業(yè)屬于我國(guó)商品材生產(chǎn)領(lǐng)域，主要涉及木材的生產(chǎn)以及林木加工等產(chǎn)業(yè)，通過激光雷達(dá)掃描技術(shù)的應(yīng)用，能夠更加精準(zhǔn)地分析森林以及樹冠底部地形地貌情況，獲取完善的數(shù)據(jù)信息，還能精準(zhǔn)的測(cè)量樹木生長(zhǎng)高度，在處理數(shù)據(jù)過程當(dāng)中，通過對(duì)植被返回?cái)?shù)據(jù)以及地面返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，能夠更加精準(zhǔn)全面的了解樹的高度以及樹冠覆蓋率。和材質(zhì)等信息數(shù)據(jù)，更好地推動(dòng)林業(yè)工業(yè)建設(shè)與發(fā)展。

1.4 電力運(yùn)輸

利用直升機(jī)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)，能夠?qū)﹄娏鬏斁€路展開精準(zhǔn)的測(cè)量，而且直升機(jī)測(cè)量過程當(dāng)中根據(jù)實(shí)際情況更改高度與飛行路線，同時(shí)依照敷設(shè)電力管道線路進(jìn)行飛行，在降低成本過程當(dāng)中，對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)信息展開更加精準(zhǔn)的測(cè)量，而且在通過激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量過程當(dāng)中，還可通過傳感設(shè)備以及定位系統(tǒng)和相機(jī)等，對(duì)電力傳輸線路圖進(jìn)行繪制，保證電力系統(tǒng)的安全性、可靠性。進(jìn)而為人們生產(chǎn)生活。提供穩(wěn)定的能源供應(yīng)。

1.5 城市規(guī)劃建設(shè)

伴隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展城市化進(jìn)程日漸加快，在人們的日常生活當(dāng)中，數(shù)字電視得到了普及應(yīng)用，成為傳播社會(huì)信息與人們生活?yuàn)蕵返闹匾d體。而利用激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)字城市內(nèi)部當(dāng)中，各種多元空間信息進(jìn)行獲取，推動(dòng)數(shù)字化城市建設(shè)，同時(shí)這也是城市規(guī)劃內(nèi)部建設(shè)的重要組成。利用激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)的構(gòu)建，發(fā)揮激光雷達(dá)掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Ω呔雀叻直媪Φ臄?shù)字影像及時(shí)獲取，和有效連接地空間數(shù)字模型，共享更多資源，通過提供強(qiáng)大的數(shù)字資源體系來推動(dòng)城市規(guī)劃建設(shè)，加多元化的信息獲取平臺(tái)，通過先進(jìn)的技術(shù)支撐推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展。

1.6 數(shù)字城市建設(shè)

當(dāng)前社會(huì)已經(jīng)全面進(jìn)入信息時(shí)代，數(shù)字化城市建設(shè)成為當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的重要目標(biāo)，也是當(dāng)前信息化建設(shè)的重要任務(wù)。而推動(dòng)數(shù)字化城市建設(shè)需要更加全面精準(zhǔn)的空間信息，只有將空間信息全面精準(zhǔn)的提供出來，才能為數(shù)字化城市建設(shè)奠定基礎(chǔ)框架與信息平臺(tái)，而收集測(cè)繪成果進(jìn)行加工處理，便成為有關(guān)科學(xué)研究領(lǐng)域的重要問題。應(yīng)用激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，可以為數(shù)字化城市構(gòu)建提供全面精準(zhǔn)的空間信息，而且還能提供高精度高分辨率的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)。正是由于激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的諸多優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為推動(dòng)數(shù)字化城市建設(shè)不可或缺的重要技術(shù)方式。

在建設(shè)數(shù)字化城市過程當(dāng)中，對(duì)管理城市虛擬平臺(tái)的構(gòu)建，即城市三維模型，不僅要保證精度高，而且還必須要確保真實(shí)感以及可測(cè)量的效果。這些都是測(cè)繪工作需要完成的重要問題。而利用傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)手段，會(huì)由于城市地理環(huán)境和成本方面的因素，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用造成一定限制，難以及時(shí)全面高精度地將有關(guān)空間信息全面地提供出來，而且大大增加了三維建模工作量的投入，對(duì)數(shù)字化城市建設(shè)服務(wù)能力的深度和廣度也會(huì)造成很大影響，阻礙數(shù)字化城市的作用發(fā)揮，而通過激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的高效應(yīng)用，能夠快速多角度地對(duì)建筑物進(jìn)行激光掃描，及時(shí)獲取全面的城市空間信息，具有非常高的三維點(diǎn)坐標(biāo)精度，大大提高了信息數(shù)據(jù)的可靠性，與有關(guān)軟件充分結(jié)合，聯(lián)合應(yīng)用，能夠獲取云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建模型于映射，對(duì)城市大面積三枚模型及時(shí)構(gòu)建。

1.7 軍事

在軍事成像偵察過程當(dāng)中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)發(fā)揮著十分重要的作用，不但能夠?qū)y(cè)繪目標(biāo)及其周圍圖像信息清楚地進(jìn)行獲取，還能及時(shí)掌握目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與速度。同時(shí)一些波段的激光雷達(dá)，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)隱蔽目標(biāo)的偵查。將激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域主要體現(xiàn)在，可以進(jìn)一步推動(dòng)導(dǎo)彈的研制，并為巡航導(dǎo)彈導(dǎo)航。同時(shí)具有良好的測(cè)距作用，可以將不同目標(biāo)特征信息全面的提供出來，不僅能夠有效區(qū)分大的車輛，還能對(duì)人員進(jìn)行有效區(qū)分，另外還能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，具有非常高的分辨率。而且激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)還能為基在武器發(fā)射系統(tǒng)，提供精準(zhǔn)的目標(biāo)距離，并對(duì)目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行選擇。另外激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)還具有低飛目標(biāo)跟蹤測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如美國(guó)研制出的一些車在精密跟蹤系統(tǒng)，在測(cè)距上達(dá)到了0.1m的精度，能夠促進(jìn)導(dǎo)彈低空飛行，還極大提高了命中率，夠有效校準(zhǔn)飛機(jī)著陸系統(tǒng)，還能校準(zhǔn)導(dǎo)航衛(wèi)星定位。所以在軍事領(lǐng)域，激光雷達(dá)技術(shù)有著非常強(qiáng)大的作用優(yōu)勢(shì)。

2 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 星載激光雷達(dá)

衛(wèi)星是星載LiDAR的平臺(tái)，具有非常高的運(yùn)行軌道，而且能夠更加廣泛地進(jìn)行觀測(cè)，效率非常的高，不會(huì)受到天空與地面背景因素影響，具有非常清晰的分辨率，而且具有非常高的靈敏度，不觸及到世界各個(gè)角落。獲取數(shù)字地面模型以及三維控制點(diǎn)提供了非常好的途經(jīng)，在科學(xué)研究以及國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用意義非常的突出。在天體觀察方面星載LiDAR發(fā)揮著十分重要的作用，可以測(cè)繪天體采集全球信息，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)、環(huán)境等各方面監(jiān)測(cè)，還能有效調(diào)查林業(yè)資源，測(cè)量大氣結(jié)構(gòu)成分。

2.2 戰(zhàn)場(chǎng)偵察激光雷達(dá)

激光雷達(dá)具有非常好的偵查作用，也是一種非常先進(jìn)的偵查手段。美國(guó)雷西昂公司在試驗(yàn)研究過程當(dāng)中通過GaAA激光行掃描傳感器應(yīng)用，將ILR100成像激光雷達(dá)制造出來，可以在無人機(jī)以及商用飛機(jī)上安裝使用，可以在高度120m～460m范圍內(nèi)進(jìn)行高空偵察，獲得的影像數(shù)據(jù)可以及時(shí)的，通過飛機(jī)上安裝的陰極攝像管顯示器，在有關(guān)數(shù)據(jù)鏈路上向地面接收站及時(shí)發(fā)送。

2.3 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)

風(fēng)速測(cè)定對(duì)于氣候變化方面的研究以及提高天氣預(yù)報(bào)精準(zhǔn)度方面發(fā)揮著重要的作用，同時(shí)在機(jī)場(chǎng)氣流監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，通過測(cè)定風(fēng)速能夠?qū)︼w行航線進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)在軍事火箭發(fā)射等很多方面進(jìn)行風(fēng)速監(jiān)測(cè)都有著十分重要的意義。而激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，應(yīng)用于這些方面意義重大，今后應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)。2μm全固化相干激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)方面的研究，這是今后重要的發(fā)展重點(diǎn)。

2.4 激光雷達(dá)尋的器

激光雷達(dá)能夠?qū)⒕嚯x于強(qiáng)度為基礎(chǔ)高分辨率影像給全面提供出來，進(jìn)一步提高空地武器精確制導(dǎo)效果，通過激光雷達(dá)尋得器，可以對(duì)目標(biāo)形成三維影像，能夠更加精準(zhǔn)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。

現(xiàn)在美國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)和海軍聯(lián)合進(jìn)行基于固態(tài)激光雷達(dá)演示計(jì)劃，希望希望以此來進(jìn)一步提高激光雷達(dá)尋得器，對(duì)目標(biāo)自動(dòng)捕獲，在AGM-130以及聯(lián)合空地遠(yuǎn)程導(dǎo)彈上安裝激光雷達(dá)尋得器，能夠使其自主自導(dǎo)能力大幅增強(qiáng)，提高打擊精度。