機載激光雷達在數字化地形圖測量中的應用

何偉松

［梧州市自然資源信息中心（梧州市自然資源勘測規劃院），廣西 梧州 543000］

0 引言

在我國城市規劃、交通工程建設以及自然資源管理等領域中，地形測量是幫助相關人員了解地表地貌及相關特征等信息的主要方式。在我國地理信息技術發展速度不斷發展的今天，數字化地形圖逐步發展為地形測量的重要技術。在數字化地形圖制圖中，數據采集和數據處理是最關鍵的兩個環節。將機載激光雷達應用到相關質量控制當中，具有十分重要的意義。

1 機載激光雷達與數字化地形圖測量相關概述

1.1 數字化地形圖測量工作的開展要點

1.1.1 數字化地形圖測量的工作基本要求

在數字化地形圖測量工作開展過程中，需要嚴格按照《地形圖編制規范》《數字地圖規范》等中的相關要求，對圖形繪制要求進行控制[1]。為了保證地形圖的繪制質量要求，需要對地形圖精度、地圖符號與標注的準確性、數據的可視化效果等指標進行重點控制。

1.1.2 數字化地形圖的制圖內容

數字化地形圖的制圖，需要對地物分類與符號表示、地形要素與圖形繪制規則等方面予以嚴格的控制。首先，針對地物分類與符號表示，涉及的內容非常多，如地形地貌、地名、交通、管線、建筑、植被等。其次，地形要素與圖形繪制規則，主要涉及高程線和繪制規則與表示方式、坡度的繪制規則與表示方式等方面[2]。最后，為了保證數據傳達與使用的有效性，還需要對地圖的可讀性以及地圖內容是否能夠容易被人理解予以重點考慮。

1.1.3 數字化地形圖的制圖流程與技術手段

數字化地形圖的制圖，主要包含以下3 個環節。首先，是數據處理環節，涉及數據的去噪、配準和過濾。其次，是地物分類與符號設計環節，需要在準確把握各類地物特征的基礎上，完成分類與符號化處理工作。最后，是地形要素與圖形繪制環節。在這一環節，需要嚴格按照相關制圖標準和規范，對地形要素進行繪制，并完成地圖設計工作。與此同時，還要加強數據質量控制，并對地圖繪制效果進行優化和調整。

1.2 機載激光雷達技術的應用優勢

1.2.1 精度高

機載激光雷達技術的應用，可以對三維地形數據進行有效的獲取，且保證數據的精度[3]。也正因為如此，機載激光雷達技術在地質調查、礦產資源勘探以及水利工程設計等地形數據精度要求較高的領域中，有著極為廣泛的應用。

1.2.2 效率高

機載激光雷達技術的應用，可以在一個相對較短的時間段內，完成大范圍地形數據的獲取與測量，進而減少數字化地形圖的測量時間，提高數字化地形圖的測量效率。

1.2.3 細節可視

上文提到，激光雷達技術不僅可以對精度要求非常高的三維地形數據進行有效的獲取，還可以利用三維圖形方式，將測量結果展示出來，為工作人員更好的進行地形分析、地形評估等工作打好基礎。

1.2.4 結果可靠

機載激光雷達的應用，不容易受到天氣、地形等因素的干擾。即便是處于地形相對復雜、天氣條件欠佳的環境中，機載激光雷達同樣可以對各類數據信息進行采集，并保證數據結果的可靠性與準確性。

2 機載激光雷達在數字化地形圖測量中的應用原理與組成

2.1 機載激光雷達的應用基本原理

機載激光雷達技術的應用，可以通過激光掃描的方式，對地表地貌形態信息進行獲取。即激光發射器向地表發射激光束，激光束在照射到地形表面之后，就會被反射回來[4]。對激光束從發射到返回的時間進行測量，就可以將地形的高度計算出來。另外，將機載激光雷達與全球定位系統、慣性測量單元技術等結合在一起，還可以實現高精度的定位與姿態測量，使地形測量精度得到有效的控制。

2.2 機載激光雷達的組成部分

2.2.1 激光

在機載激光雷達技術應用過程中，主要使用非科學用途的激光。當這種激光處于600～1000nm 時，激光功率最高[5]。

2.2.2 閃光激光雷達

閃光激光雷達，又叫做Flash 激光雷達。在Flash 激光雷達焦平面上，像素成行列分布。要想確保雷達能夠顧滿足三維場景的創建需求，需要對像素深度與像素強度進行嚴格的控制。而雷達中的每一個像素，都能夠對激光脈沖從發出到返回的時間間隔進行準確的記錄，所以地表物體的位置、深度以及反射強度等也能夠得到準確的判斷。

2.2.3 相控陣

在應用機載激光雷達的過程中，相控陣的主要作用，是根據相關需求，利用天線照亮相關區域。對相控陣的相位進行合理的預設之后，就可以在一定的時間內，在預設方向上，對相關信號進行集聚。

2.2.4 微機電設備

所謂微機電設備，其實就是MEMS 系統。這一系統并不是完全固態系統。利用這一系統將激光反射到反射鏡后，就可以利用反射鏡通過自動調整方向的方式，將目標場照亮。

2.2.5 掃描儀與光學元件

掃描儀與光學元件的主要作用體現在兩方面。一方面，是發射激光；另一方面，是對反射激光進行接收。機載激光雷達掃描裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 機載激光雷達掃描裝置示意圖

2.2.6 定位與導航系統

將定位與導航系統的傳感器安裝到衛星、飛機等移動平臺端，就可以對平臺當前所處的位置以及移動方向進行準確的判斷。需要注意的是，在應用定位與導航系統的過程中，需要對IMU 單元接受全球定位系統提供的反饋信號進行研究與參考。

2.2.7 傳感器

在機載激光雷達的應用過程中，需要將有源傳感器安裝到設備當中，并參照撞擊反饋的數據和信號，完成相關測量任務和數據計算任務。

2.3 數據處理技術

2.3.1 點云數據處理

在應用點云數據技術的過程中，最重要的就是數據處理結果精度與效果的判斷。尤其是一些對激光影響比較大的區域，點云數據處理結果可能會與實際情況出現較大偏差，為了提高數據處理結果的準確性，在應用點云數據技術的時候，需要輔助以人工檢查處理方式，借此排出某些因素的干擾與影響。

在利用機載設備，對各類基礎數據進行獲取的時候，有可能出現數據傳出延遲、數據丟失等問題。要想避免此類問題的出現，在完成數據獲取之后，還需要對數據進行全面的檢查和判斷，一旦發現數據丟失現象比較嚴重，則在要第一時間進行重新收集。

另外，在利用點云數據處理技術，完成各類基礎數據的預處理后，還需要對預處理結果進行檢查，排除預處理過程中數據丟失、數據不準確等問題的出現。如果發現此類問題，則需要借助人工技術進行調整和補充。

在完成數據的預處理之后，可以安排專門的工作人員對后續數據進行妥善的處理和編輯。在這一過程中，數據處理人員不僅要對點云數據的具體分布有一個全面而充分的了解，還要通過人機交互的方式，對數據進行準確、完整的編輯與處理，確保數據的正確性與準確性，能夠滿足相關工作開展需求。

2.3.2 DLG 地形質量控制

經過點云數據處理后的地圖，已經具備了一定的精度，甚至可以滿足接下來的精度加工與二次處理工作開展需求。需要注意的是，當地圖經過點云數據處理后，為了防止出現高程表達不規范等問題，還需要借助DLG 技術進行深度處理。所謂DLG 技術，其實就是地形質量控制技術[6]。利用這一技術，可以對一定精度的地圖進行妥善的處理，使地圖中的山頂、凹地等地形特點充分體現出來，提升地圖繪制的完美性與標準性。

3 機載激光雷達在數字化地形圖測量中的應用場景

3.1 在城市地形測量中的應用

城市地形異常復雜，且存在的建筑物非常密集。單純使用傳統的測量手段，最終繪制的地圖精度偏低，無法滿足相關需求。而機載激光雷達的應用，不僅可以在短時間內，對城市地形數據進行獲取，還可以保證地形數據的精準性，從數據層面為城市規劃、土地資源管理以及防災減災等工作的開展提供支持[7]。

3.2 在林業資源調查中的應用

機載激光雷達在林業資源調查中的應用優勢也非常突出，不僅可以對森林面積、樹木高度、樹冠覆蓋率以及樹木分布等數據信息進行快速準確的獲取，還可以從數據層面提高林業資源管理質量，為生態環境的保護打好基礎。

3.3 在數字城市建設中的應用

在數字城市的建設中，需要使用到大量高精度的地形數據。而機載激光雷達則能夠對城市地形數據進行快速的獲取，滿足數字城市建設中對于高精度地形數據的使用需求。

4 機載激光雷達在數字化地形圖測量中的應用要點

4.1 數據采集方法

在數字化地形圖測量中，機載激光雷達的應用，需要對各類數據的采集予以高度的重視。首先，在正式開始數據采集之前，需要做好充分的準備工作。即不僅要對數據采集區域進行有效的確定，對飛行軌跡進行合理的設計，對飛行計劃進行科學的制定，還要對數據采集過程中使用到的設備進行校準和測試，確保能夠獲得準確、可靠的數據[8]。其次，在數據采集過程中，需要對激光雷達參數進行合理的調整，加強數據采集速度與采集角度的控制，加強地物特征的識別與分類。如果發現植被遮擋現象，還要采取針對性的處理措施。為了提升數據的采集效果，還需要根據地面情況對數據采集方法進行及時的調整。

4.2 數據處理方法

在數字化地形圖測量中，利用機載激光雷達進行數據處理，涉及的步驟也比較多。首先，是數據預處理環節，主要是對數據進行去噪、分割以及分類等處理。其次，是數據配準與匹配環節，這是數據處理中的核心環節，需要將點云數據與地形模型匹配在一起，并進行配準處理。同時，利用特定的算法和模型，提升數據的準確性與匹配度[9]。最后，是數據過濾與糾正環節，需要對數據中的噪聲、異常值等進行有效的去除，對數據進行矯正和校正。這也是數據處理中非常關鍵的一個環節，對于數據的質量有著直接的影響。只有保證數據矯正與校正的質量，才能夠對數字化地形圖數據的精確度進行有效的控制。

4.3 應用注意事項

在數字化地形圖測量中，機載激光雷達在城市規劃、林業資源調查、數字城市建設等領域中有著極為廣泛的應用。與其他測量技術相比，機載激光雷達技術的應用，不僅可以對地形進行高精度測量和三維建模，還可以為數字化地形圖的高質量繪制提供支持。

另外，在數字化地形圖制圖過程中，機載激光雷達的適用性非常高，可以滿足城市中心區域、山地地形、水域區域等多種地形條件下的地形圖繪制需求，通過大量高精度地形圖數據的獲取，提升數字化地形圖制圖的準確性與全面性。

為了將機載激光雷達的應用優勢充分發揮出來，工作人員還可以輔助以其他先進技術。例如，在采集各類數據的過程中，可以輔助以多光束激光雷達技術；在對各類數據進行處理的過程中，為了提高數據的精確度和準確度，還可以加強多源數據融合技術的應用[10]。另外，工作人員還需要對地面實際情況進行分析，并根據實際情況對數字化地形圖測量方案進行調整和優化，以保證數字化地形圖測量的準確性與有效性。

5 結語

綜上所述，機載激光雷達在數字化地形圖測量中具有廣泛的應用前景和優勢。與傳統測量手段相比，機載激光雷達具有快速、準確、高精度的優點，可以為城市規劃、土地資源管理、林業資源調查和數字城市建設等領域提供重要的數據支持。隨著科技的不斷發展和機載激光雷達技術的不斷完善，相信機載激光雷達在數字化地形圖測量中的應用將會越來越廣泛。