水利工程測繪中激光雷達技術應用研究

殷圣云

（廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

21 世紀的社會進步與發展，屬于科技創新與發展的時代。現代化社會的進步，得益于科學技術的推動與演化。尤其當前社會經濟快速發展背景下，科學技術創新水平不斷提升，大大刺激了社會經濟的快速發展，提升了廣大基層群眾生活水平。在水利工程測繪行業中，建立在計算機技術及信息技術基礎上，新型測繪技術不斷創新與發展，全面提升了水利工程測繪水平和效益，促使水利工程測繪企業，獲得更多經濟效益和社會效益。新型測繪技術形態中，尤其以激光雷達測繪技術尤為突出。激光雷達技術通過發射和反饋激光信號，可以大大提高水利工程測繪數據信息精準性。本文旨在剖析激光雷達技術應用問題，僅供參考。

1 激光雷達測繪技術內涵

激光雷達測繪技術，是新時期隨著工程測繪技術的發展，逐漸創新出現的新型測繪技術形態。激光雷達測繪技術就是將激光雷達技術與工程測繪技術相互結合，使得激光雷達為工程測繪服務。激光雷達的工作光束是激光，而激光的產生是由激發發射機射出的。現代化的激光雷達，主要是由信息處理系統、光學接收機以及激光發射機等三大核心設備組成。激光雷達測繪技術應用時，會通過激光器實現對電脈沖向光脈沖的轉化。待轉化完成以后，再由激光發射機對光脈沖進行直接發射。而當光脈沖發射回來的時候，再由激光器對其進行還原，直接還原為電脈沖。然后將所獲得的水利工程測繪信息，直接反饋到顯示器上[1]。激光雷達測繪儀器設備組成如圖1 所示。

圖1 激光雷達測繪儀器設備組成

激光雷達測繪技術可以實現對測繪目標的精準化定位，而且還可以在實際測繪中，將水利工程距離和角度進行精準化測量。也正是因為如此，可以看出激光雷達測繪技術的巨大應用優勢。激光雷達測繪技術，直接應用于水利工程測繪中，是工程測繪領域的重大突破性進展，大大提高了水利工程測繪水平和效率，提高了水利工程測繪精準度。同時，也使得水利工程測繪更加簡潔和簡單。激光雷達測繪技術，在計算機技術與信息技術加持下，可以構建成為完整的數字模型系統，將所有的數據信息直接納入數字模型系統中，對于后期水利工程建設以及水利工程測繪，是十分有利且十分必要的[2]。

2 激光雷達測繪技術優勢與特點

激光雷達測繪技術主要是通過發射和反饋信號激光源，而更好的應用到工程測繪中來的。與傳統的其他水利工程測繪技術相比，激光雷達測繪技術，有著極為明顯的優勢和特色。首先，激光雷達測繪技術，觀測速率提升。在日常的測繪工程測繪實踐中，激光雷達測繪技術應用，使得自動化技術得以提升，加上其他電子技術和軟件技術融合，使得激光雷達工程測繪，擺脫了大量人力、物力、財力的投入，使得激光雷達測繪操作過程中，測繪觀測速率得以極大程序化提升。其次，激光雷達測繪技術，精準度更高。在其他定位系統支持下，激光雷達測繪技術觀測范圍逐漸擴大[3]。比如，定位測距在200~800m 的工程項目，激光雷達測繪技術都可以精準化進行測量。而且在自動化技術加持下，激光雷達測繪技術應用中，可以將數據信息誤差控制在1mm 以內。與傳統測繪技術誤差1cm 左右相比，激光雷達測繪技術精準度整整提升了10 倍左右。最后，激光雷達測繪技術，操作極為簡單。激光雷達測繪技術，是建立在激光光束基礎之上，且具有自動化技術特色。激光雷達測繪技術在實際應用中，與其他測繪技術相互融合，使得其操作流程和操作規范，都更加簡單和明了。與傳統型的測繪技術相比，激光雷達測繪技術，應用范圍和應用領域更加廣泛，且操作極為容易和簡單簡潔[4]。

3 激光雷達測繪關鍵性技術類型

3.1 空間掃描技術

激光雷達測繪中的空間掃描技術，不僅包括掃描體制，而且還包括非掃描體制。從目前各地區激光雷達測繪技術應用實踐來看，我國大多數采用的是掃描體制。尤其是以機械式掃描更為突出。機械式掃描的頻次和頻率要高，而且利用不同的機械結構類型，可以獲得不同類型的掃描圖樣。與掃描體制相比，非掃描體制屬于二元光學新興分支，從目前來看實踐應用極為不明顯，無論是掃描角度還是掃描透過率，都是比較低的。所以，非掃描體制從水利工程測繪中應用較少。

3.2 終端信息處理技術

終端信息處理技術，屬于激光雷達測繪的重要技術組成。該處理系統不僅要解決掃描機、激光器以及各個信號處理器電路的關系，而且還需要協調接收機信息發送，包括目標距離信息獲取，都屬于終端信息系統處理范圍。與此同時，終端信息處理技術，還需要完成信息的錄取，包括對三維圖像數據的采集等。目前終端信息處理技術，主要采取的是計算機系統以及大規模集成電路組合。在FPGA 技術加持下，可以實現測距單元的精準化測量，在水利工程測繪中應用廣泛[5]。

3.3 激光發射技術

激光雷達測繪技術應用中，絕對離不開激光發射技術。激光發射中常用到的設備，是激光雷達發射機。激光雷達發射機所選用的光源，是由氣體激光器以及半導體激光器組成的。舉例來講，半導體激光器屬于小型化激光器，該激光器工作物質極多，往往多達幾十種。目前比較常見的激光方式，主要有高能電子束、電注入束、電泵束等。無論哪種類型的半導體激光束，都有著極大的應用優勢。例如，光束量子效率高、重量輕、體積小、穩定性強，而且所輸出的光束質地極好。除了半導體激光器以外，氣體激光器也是應用極為廣泛、種類眾多且輸出光波最豐富的激光器類型。與半導體激光器相比，氣體激光器輸出的波長范圍更廣，而且氣體光學性效果更好，輸出的光束質地均勻，而且光束的穩定性極好[6]。

3.4 地面三維激光掃描技術和機載激光雷達掃描技術

激光雷達測繪技術，能夠實現空間三維坐標同步，快速準確獲取，根據實時攝影數碼快照，通過計算機系統構建來實現大型實體或場景目標3D 數據模型的高科技技術。它的特點就是能夠客觀真實的再現事物的實時且真實的形態特征，從而快速獲取測量目的所需的相關空間信息。激光雷達技術根據載體的差異可分為地面三維激光掃描技術和機載激光雷達掃描技術。首先，地面三維激光掃描技術，其載體即地面，它主要結合了激光掃描儀、數碼相機和GPS，從地面的角度對目標物進行掃描成像，目的在于獲取激光反射回波數據和目標表面影像，并通過軟件的三維數字模型重構加強成像紋理的精確化貼加。其次，地面三維激光掃描系統，可以加載在地面，也可以搭載在移動中的地上設施上，這樣能夠更好進行連續的二維場景，以及目標形態的空間數據采集工作開展。機載激光雷達測繪技術作業如圖2 所示。

圖2 機載激光雷達測繪技術作業

4 水利工程測繪中激光雷達技術的具體應用

4.1 采集數據

在水利工程測繪工作中，對于激光雷達技術的應用，要將數據和信息的采集放在首位。要始終根據事先設計好的系統參數，進行激光雷達測繪應用。對于每一次完成的數據信息采集，要同步進行激光雷達系統檢查，保證數據信息采集的完整性和精準性。對鎖定區域內相關數據信息的采集，要對影響數據、激光測距數據、地面GPS 基站以及機載POS 數據等進行適當的調整。舉例來講，如果利用激光雷達技術進行多次水利工程測繪數據采集，要對信息數據進行平均化處理。

4.2 數據處理

在水利工程測繪工作中，激光雷達技術對于相關數據信息的處理，首先要進行數據信息預處理。激光雷達技術應用，往往會受到GPS 外觀測條件及系統殘余誤差的影響，使得各航道之間的激光點，出現拼接誤差的問題。激光雷達技術實踐性應用，可以開展航帶間的匹配性工作，如有需要可以采取航帶重疊多余條件并加以利用。其次，激光雷達技術應用，還要進行激光點云類別細化。可以對水利工程地表覆蓋類型進行直觀性的反映。考慮到激光多回波容易穿透的特點，可以采取植被密集區激光雷達系統進行應用，能夠實現對水利工程原始地貌的精準化信息采集。最后，激光雷達技術應用時，還需要注重坐標的轉換。激光雷達技術在水利工程測繪中的應用，往往采取WGS84 坐標系統，可以實現完整坐標的相互轉換[7]。如有需要還可以實現從系統坐標到用戶坐標的轉換。對于激光雷達技術中的高程坐標系統，則需要借助系統特定量和分布高程點作用，作為高程坐標系統轉化的依據。如果高程坐標系統轉化出現異常，則需要結合激光數據信息驗證，使得高程坐標系統，可以實現精準化和快速化轉化。

4.3 保證激光點云平面高程精準度

激光雷達技術應用于水利工程測繪中，既要保證好平面數據信息精準度，也要保證好高程信息數據精準度。①平面精準度提升。激光雷達技術應用，要將平面檢查點直接分布于檢測區內部，通過對水利工程側面激光點進行信息提取，實現對云向水平面投影的快速化處理，從而獲得激光雷達測量中平面檢查點數據。一般而言，激光雷達技術應用中，平面檢查點有效數量保持在24 個以內即可。但是要保證激光點平面精準程度，與設備標稱平面精度的要求相吻合[8]。②高程精準度提升。在檢驗激光點云高程精準度過程中，一般會選擇使用經過分類以后的激光點云數據，并構建地面模型，和實際測量高程點展開對比與誤差統計。在統計誤差的過程中，可以將激光點細化成，硬質裸露地面高程檢查點與普通山地高程檢查點兩種。一般而言，高程檢查點往往要分布于平緩地面位置。對于檢查點實際測量中的精準數據需求，要與激光數據處于同一坐標系統中。

4.4 應用于水下地形測量工作

激光雷達技術的廣泛性應用，具有極為明顯的優勢。尤其對一些水利工程隱藏勘察項目中，激光雷達技術同樣有著極為有效的工作效果。例如，將激光雷達技術應用，直接用于水下地形測量工作中，可以實現對水下地形的精準化監測。在進行地下水位地形測量時，激光雷達技術，主要是依靠兩種不同波長的激光束進行測量，可以使得地下水位及地形特點，真實化和形象化的展示出來。激光雷達技術應用中，可以進行大面積的水下測量工作開展，甚至在水利工程河道測量中，也可以獲得良好的測量效果。根據之前激光雷達技術應用經驗，激光束測量深度最深可以達到50 多米，而且本質上的測量效果，還會受到河道水質的影響。比如，當河道水質較為清晰的時候，測量數據精準度高些；而水質不好的時候，則測量數據精準度會低些。但無論如何，激光雷達技術應用，在水下地形測量工作中，都可以取得良好的測量結果，可以為水利工程測繪工作的開展提供幫助。

5 結語

綜上所述，現代化科學技術的創新與發展，大大提升了水利工程測繪水平和效益。在計算機技術、互聯網技術及人工智能技術加持下，激光雷達測繪技術得到廣泛性應用。激光雷達測繪技術，具有非常多的優點，將其應用到水利工程測繪工作中，可以有效提高測繪效率以及測繪質量，從而獲得比較準確的測量數據，保障水利工程建設品質和效益提升。現代化測繪工程建設背景下，激光雷達技術應用，會伴隨著新型科學技術演變，不斷得到技術成熟完善，而且會越來越多應用到各行各業中。探討新時期水利工程測繪中，激光雷達技術應用事項，拓寬激光雷達技術應用領域，將會大大刺激我國工程測繪行業的健康和可持續性發展。