關(guān)于激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用的研究

張國(guó)政

（空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710038）

激光雷達(dá)指的是用激光器作為輻射源的雷達(dá)，是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要采用脈沖或連續(xù)波工作方式。19 世紀(jì)30 年代末Daguerre 和Niepce率先使用激光雷達(dá)拍攝并制作像片平面圖，20 世紀(jì)初Fourcade 在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上采用立體觀測(cè)技術(shù)，21世紀(jì)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用，該技術(shù)的核心在于地面三維數(shù)據(jù)的采集。

1 激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)組成

激光雷達(dá)由二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器等掃描器，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡天線，光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等接收機(jī)，速度傳感器、微機(jī)以及數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置等硬件和軟件部分組成。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)備中掃描器類型為三維激光掃描器，速度傳感器、微機(jī)以及數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置等硬件設(shè)備與軟件聯(lián)系較為緊密，主要通過不同設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、通訊處理、三維重建、可視化等功能。激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)軟件主要包括工程管理、數(shù)據(jù)采集、三維顯示等模塊，工程管理模塊主要包含工程數(shù)據(jù)信息，該模塊對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)可視化功能的實(shí)現(xiàn)具有重要作用；數(shù)據(jù)采集模塊主要采用各個(gè)傳感器對(duì)三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，而利用微機(jī)及其他電子元件對(duì)采集到的地面三維數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和預(yù)算，最后在計(jì)算機(jī)和三維激光掃描器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)；三維顯示模塊可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景可視化，該模塊是激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的最終輸出模塊，該模塊需要利用各類三維數(shù)據(jù)和工程項(xiàng)目資料明確物體的體積、變化量等信息，這樣才能利用三維數(shù)據(jù)構(gòu)建可視化場(chǎng)景[1]。

2 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)原理

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在激發(fā)掃描器和距離傳感器的相互作用下可以對(duì)對(duì)象表面狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過程中時(shí)間計(jì)數(shù)器、激光發(fā)射器等技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。激光雷達(dá)通過激光脈沖發(fā)射器驅(qū)使激光二極管發(fā)黑色激光脈沖，然后接收器可以利用透鏡在測(cè)量對(duì)象表面接收激光脈沖，最后基于時(shí)間計(jì)數(shù)器對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，這樣即可獲取測(cè)量對(duì)象表面的三維空間信息，進(jìn)而完成目標(biāo)的立體模型三位構(gòu)建[2]。

3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)分析

在新形勢(shì)下，我國(guó)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)深入發(fā)展，廣泛應(yīng)用到我國(guó)許多領(lǐng)域，促進(jìn)我國(guó)城市化建設(shè)和城市化布局，推動(dòng)我國(guó)數(shù)字化城市的建設(shè)進(jìn)程。激光雷達(dá)是一種主動(dòng)傳感器，它能夠有效地獲取信息，獲取精準(zhǔn)的地理坐標(biāo)，能夠明確植被、物體、房屋建筑等不同建筑物，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生回?fù)軘?shù)據(jù)，形成多次的數(shù)據(jù)回流。[3]目前，我國(guó)商業(yè)系統(tǒng)在應(yīng)用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)時(shí)通常會(huì)產(chǎn)生四次以上的數(shù)據(jù)回?fù)埽軌颢@取更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息。而在新形勢(shì)下，我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)不斷深入發(fā)展，激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠提供新型的數(shù)字化技術(shù)服務(wù)，能夠增加回?fù)馨l(fā)生的頻率，減少回?fù)荛g隔的時(shí)間，能夠在計(jì)算機(jī)形成完整的模型，能夠?qū)負(fù)艿南嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行多次的精準(zhǔn)分析，并進(jìn)行及時(shí)的記錄，同時(shí)利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)的處理算法有效地去除數(shù)據(jù)中不確定的因素，分析植被或房屋建筑的高度，減少人為因素或其他因素對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的干擾，從而獲得更加真實(shí)準(zhǔn)確的數(shù)字信息，及時(shí)了解地面的實(shí)際情況，并建立系統(tǒng)的模型。

此外，我國(guó)激光雷達(dá)技術(shù)在研發(fā)時(shí)主要是為了建立三維模型，為了獲得更加高精度的數(shù)字表面模型，并應(yīng)用數(shù)據(jù)處理方法提高信息的準(zhǔn)確度和信息的分辨率，根據(jù)基礎(chǔ)信息進(jìn)行城市布局和城市優(yōu)化，推動(dòng)數(shù)字化城市的建設(shè)進(jìn)程。

與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比，激光雷達(dá)系統(tǒng)具有較多的優(yōu)勢(shì)，能夠更加及時(shí)準(zhǔn)確地獲取地標(biāo)的信息，能夠獲得準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，能夠?qū)Φ孛娴慕ㄖ镞M(jìn)行及時(shí)的測(cè)量，克服外界因素對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的干擾，同時(shí)還可以采用雷達(dá)觀測(cè)測(cè)量技術(shù)避免傳統(tǒng)人工操作的方式造成數(shù)據(jù)泄露或數(shù)據(jù)丟失，我國(guó)傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)通常是采用間接的方式獲取地表的三維數(shù)據(jù)，具有一定的信息誤差，不能夠及時(shí)地將信息進(jìn)行傳遞。[4]其次，激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)定位，能夠透射地面植被，能夠避免地面植被高度影響激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，而采用傳統(tǒng)人工攝影測(cè)量技術(shù)不能夠克服地面植被的影響，受植被高度影響較大，會(huì)影響信息收集的精準(zhǔn)度，影響信息的采集。

此外，激光雷達(dá)技術(shù)能夠直接應(yīng)用，是一種主動(dòng)式的傳感器，不受光照或惡劣天氣的影響，受外界自然環(huán)境的影響較少，與傳統(tǒng)的光學(xué)遙感技術(shù)相比具有較多的優(yōu)勢(shì)，即使在某些困難地區(qū)或地勢(shì)條件復(fù)雜的地區(qū)，也能夠進(jìn)行使用，能夠?qū)Φ貏?shì)復(fù)雜、荒漠、沙漠、高山等地區(qū)的地形進(jìn)行測(cè)量，獲得更加高精準(zhǔn)度、高分辨率的詳細(xì)信息，從而有利于制定決策，具有十分重要的社會(huì)價(jià)值。

4 激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 軍事領(lǐng)域

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在軍事領(lǐng)域中可以應(yīng)用于偵察、武器研發(fā)等方面，其中偵察過程中需要應(yīng)用激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)地區(qū)的環(huán)境及環(huán)境內(nèi)物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行觀察，而主動(dòng)式激光雷達(dá)可以得到較為清晰的軍事成像，一些激光雷達(dá)在特定波段下能夠?qū)δ繕?biāo)區(qū)域進(jìn)行更加隱秘的偵察，有效地提高了激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的適用性；武器研發(fā)中導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)需要基于激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，激光雷達(dá)能夠通過成像處理提高目標(biāo)分辨率，有利于提高導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精準(zhǔn)性，而且導(dǎo)彈發(fā)射后還可以繼續(xù)根據(jù)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)躲避復(fù)雜地形障礙物，確保導(dǎo)彈命中目標(biāo)之前的安全性。激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能夠?qū)④囕v、人員、環(huán)境等信息準(zhǔn)確區(qū)分，軍事領(lǐng)域中該技術(shù)的應(yīng)用有利于區(qū)分?jǐn)澄译p方，極大地提高了該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

4.2 民用領(lǐng)域

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在民用領(lǐng)域中可以廣泛應(yīng)用于老舊街道改造中，改革開放之后我國(guó)城市化速度飛速提高，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善，但是城市中心老舊城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施中的不足逐漸暴露出來，與現(xiàn)代化城市建設(shè)理念不符，因此每個(gè)城市都面臨著老舊街道改造的問題。傳統(tǒng)老舊街道改造領(lǐng)域中可以采用全站儀和GNSS 接收機(jī)直接采集空間信息，或者采用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量，但是前者容易受到人員的干擾、后者受到空間的限制比較大。若采用激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)直接掃描老舊街道，可以得到更加精準(zhǔn)的地面三維數(shù)據(jù)，有利于提高測(cè)量軟件和三維空間模型建設(shè)的速度。老舊街道改造中激光雷達(dá)測(cè)量人員必須對(duì)采集到的地形信息進(jìn)行屬性標(biāo)注，確保最終信息匯總后可以縮小全息影像的誤差，數(shù)據(jù)處理可以直接采用云數(shù)據(jù)處理軟件復(fù)制測(cè)繪軟件提高工作效率。

4.3 大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中可以應(yīng)用于大氣污染物分布檢測(cè)中，該領(lǐng)域可以為氣象觀測(cè)提供更加準(zhǔn)確科學(xué)的數(shù)據(jù)。大氣污染物在空氣中以氣溶膠形式存在，當(dāng)大氣污染物過多時(shí)污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重，若可以基于激光雷達(dá)發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，用高重復(fù)的頻率把這兩種波長(zhǎng)進(jìn)行交替發(fā)射到大氣，這樣根據(jù)兩種波長(zhǎng)的回波信號(hào)即可計(jì)算出大氣污染物在空氣中的濃度，進(jìn)而判斷該地區(qū)大氣污染含量是否超標(biāo)。大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)是選擇合適的兩種波長(zhǎng)的光，其中一種光的波長(zhǎng)需要與待測(cè)量的大氣污染物收納波段一致，而另一種光的波長(zhǎng)需要調(diào)至吸收系數(shù)小的邊翼，這樣交替發(fā)射兩種波長(zhǎng)的光才能夠準(zhǔn)確測(cè)量大氣環(huán)境污染情況。其次，激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)還能夠準(zhǔn)確地更新氣象問題，能夠根據(jù)大氣污染狀況以及天氣狀況及時(shí)判斷氣溫和濕度，還能夠準(zhǔn)確判斷風(fēng)速風(fēng)向，為氣象部門進(jìn)行天氣匯報(bào)收集相關(guān)信息提供充足的數(shù)據(jù)支持，有利于提高氣象部門工作的準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度，促進(jìn)氣象部門相關(guān)決策制定，提高氣象部門的工作效率。

4.4 三維重建

三維重建是當(dāng)前各領(lǐng)域應(yīng)用的主要技術(shù)之一，而三維重建的實(shí)現(xiàn)，則需要由其他技術(shù)作為支持方可達(dá)成。近些年來，此技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛，提高技術(shù)水平成了各領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)在三維重建領(lǐng)域中應(yīng)用于道路、堤壩、隧道等不同地形的模型化建設(shè)中，該領(lǐng)域?qū)⒓す饫走_(dá)測(cè)量技術(shù)的精度優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。三維重建模型精度越高，工程施工以及交通智能管理的難度就越低，目前國(guó)內(nèi)外各大機(jī)構(gòu)和公司對(duì)三維重建領(lǐng)域中的研究均比較重視，甚至國(guó)家也積極利用該技術(shù)重新繪制地表地形圖。

4.5 激光雷達(dá)在測(cè)繪中的應(yīng)用

在新形勢(shì)下，我國(guó)信息技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深入發(fā)展，我國(guó)的激光雷達(dá)系統(tǒng)不斷完善，并不斷與先進(jìn)的GPS 定位技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)ξ覈?guó)的城區(qū)街道、城市道路以及地表等三維信息進(jìn)行及時(shí)和有效的獲取，能夠提高獲取信息的精準(zhǔn)度和信息準(zhǔn)確性，同時(shí)還能夠利用先進(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過收集來的信息將城市道路以及隧道進(jìn)行三維模擬，模擬立體模型，并進(jìn)行詳細(xì)具體分析，同時(shí)還可以進(jìn)行模型制作，制作相應(yīng)的模具，從而有利于我國(guó)城市規(guī)劃以及測(cè)繪工作的進(jìn)行。其次，在城市測(cè)繪工作中還能夠有效地對(duì)各個(gè)物體的立體形狀以及各個(gè)物體的容積進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)還可以采用現(xiàn)代的信息技術(shù)進(jìn)行交通智能化的管理，能夠積極收取城市街區(qū)的信息，推進(jìn)我國(guó)的城市化進(jìn)程。在國(guó)際上，激光雷達(dá)系統(tǒng)與GPS 定位系統(tǒng)的融合不斷深入，許多公司以及相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)都加大了對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)的科技和人才投入，逐漸擴(kuò)大了研究領(lǐng)域，并將激光雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用到許多現(xiàn)代領(lǐng)域，依據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)開設(shè)測(cè)量系統(tǒng)和地表測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)ξ覈?guó)城市地表的地形數(shù)據(jù)以及三維模型進(jìn)行精準(zhǔn)的分析，能夠提取關(guān)鍵信息，及時(shí)在空間建設(shè)三維模型，從而為我國(guó)城市制定城市政策，調(diào)整城市布局提供信息支持，促進(jìn)我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展。

4.6 激光雷達(dá)在電力企業(yè)中的應(yīng)用

激光雷達(dá)具有整體精度高、掃描準(zhǔn)確性高、應(yīng)用價(jià)值廣的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用到我國(guó)許多企業(yè)和眾多工作領(lǐng)域中。目前，我國(guó)將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到電力企業(yè)，能夠有效提高電力企業(yè)的生產(chǎn)效率，縮短電力企業(yè)的工期，能夠?yàn)殡娏ζ髽I(yè)開展工作提供重要的智力保障，充分發(fā)揮電力企業(yè)的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于電力企業(yè)舉例，在電力企業(yè)應(yīng)用三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)，能夠有效提高電力企業(yè)獲取信息的精準(zhǔn)度，相比較于電力企業(yè)傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)，有效獲取信息，提高信息采集的密度，增大信息數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存量，為電力企業(yè)制定決策提供智力支持。

其次，在具體的工作中，許多電力企業(yè)在采集數(shù)據(jù)時(shí)受人為因素和自然因素影響較大，容易受到惡劣天氣影響，很難保證收集信息的精準(zhǔn)度和準(zhǔn)確性。許多工作人員還需要在野外或地勢(shì)較為復(fù)雜的地區(qū)收集信息，會(huì)嚴(yán)重影響工作人員的生命安全，造成不可挽回的損失。因此在電力企業(yè)應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)能夠利用最新的科學(xué)技術(shù)，及時(shí)收取信息，能夠節(jié)省大量的人力物力，減輕人員的消耗，降低工作人員工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)還能夠利用先進(jìn)的信息技術(shù)對(duì)三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)所獲取的信息進(jìn)行及時(shí)有效的處理，提高電力企業(yè)的智能化和現(xiàn)代化。

再次，將三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用到電力企業(yè)中還能夠有效提高電力企業(yè)相關(guān)科技成果的質(zhì)量，能夠減少野外工作對(duì)電力企業(yè)公司的影響，能夠根據(jù)野外工作的實(shí)際情況充分獲取信息，利用三維激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確定位，開展相關(guān)工作，優(yōu)化電力企業(yè)的布局，充分發(fā)揮電力企業(yè)的實(shí)際效果。

此外，將激光雷達(dá)技術(shù)引入到電力企業(yè)中，能夠有效獲取電力企業(yè)周圍環(huán)境的三維地形和地貌特征，并且能夠利用先進(jìn)的信息技術(shù)將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，并直接建立3D 模型，為城市建設(shè)提供保障，有利于數(shù)字城市的建設(shè)。

綜上所述，激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)目前在軍事領(lǐng)域、民用領(lǐng)域、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、三維重建均可以得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)既可以應(yīng)用于戰(zhàn)略高度較高的軍事領(lǐng)域以及航空航天領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于老舊街區(qū)改造的民用領(lǐng)域。因此，該技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣泛，但是該技術(shù)仍有一定的完善空間，未來研究人員需要在激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)研發(fā)方面投入更多的時(shí)間和精力，國(guó)家和企業(yè)需要繼續(xù)加大研發(fā)資金投入，確保激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)能夠充分發(fā)揮自身精度高、體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)。