激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用探討

劉偉

摘要：隨著測繪技術的不斷發展和儀器設備的不斷更新，水利基礎建設對測繪產品質量與效率的需求也在不斷提高。從20世紀八十年代開始，機載激光雷達(LiDAR)測量技術在一些發達國家得到廣泛應用，成為現代測繪技術中一種能快速有效采集地理信息的高新技術。近年，我國對該技術進行了一定程度的研究和應用，測繪行業不斷引進該技術設備，應用技術較為成熟，正逐步完善機載激光測量技術的相關規范。

關鍵詞：激光雷達測繪技術；工程測繪；應用

中圖分類號： O434 文獻標識碼： A

一、激光雷達技術簡介

激光雷達測量技術是最初由歐美發達國家發展起來并投入商業化應用的一門新興技術，集成了激光測距系統、全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)3種技術于一身，在三維空間信息的實時獲取方面取得了重大突破，為獲取高時空分辯率的地球空間信息提供了一種全新的技術手段，是當今測量業界最先進的測繪技術。

二、激光雷達技術特點優勢

(一)技術特點

a)獲取高清晰數碼影像的能力。激光雷達系搭載的專業數碼相機可獲取高清晰的數碼影像，也就意味著該系統具有獲取更多信息的能力。

b)獲取高密度三維點云的能力。激光雷達采用激光回波探測原理，直接獲取高密度三維點云的能力是激光雷達區別于傳統航空攝影測量的最大特點，高密集的點云數據能夠真實反映地形地貌。

c)激光具有較強的穿透能力。激光良好的單向性使之能從狹小的縫隙穿過，到達地表，從而獲取地表真實高程，是目前唯一能測定森林覆蓋地區地面高程的最準技術。

(二)技術優勢

(1)數據產品豐富

a)三維激光點云:LiDAR技術直接獲取的三維點云數據是生成數字高程模型(DEM)的基礎。粗分類的點云可制作DEM，細分類的點云可用于地物識別、采集，建立三維模型等。

b)數字表面模型:數字表面模型真實再現地物和裸地表起伏現狀，可應用于生產真正射影像、數字三維模型。

c)正射影像(DOM):利用DEM對數碼航空影像像元進行糾正，再做影像鑲嵌生成的影像成果。它的信息豐富直觀，具有良好的可判讀性和可量測性，從中可直接提取自然地理和社會經濟信息。

d)數字高程模型(DEM):通過從LiDAR獲取的三維點云中提取地面數據即可生成數字高程模型。

e)數字線劃圖(DIG):利用激光點云和DOM影像可快速生產大比例尺(1∶500至1∶2000)DLG產品，同時節省外業調繪工作量，成圖效率大大提高，是全野外人工測圖的5%～20%。

(2)自動化程度高

從飛行設計到數據獲取，到最終產品的數據處理，自動化程度非常高。通過GPS技術實時顯示飛行軌跡。不會發生漏拍的情況，避免人為錯誤。

(3)信息獲取敏感性

LiDAR可以獲取小于遙感影像或者雷達影像分辯率的目標信息，可穿透植被覆蓋物獲得地面點數據。

(4)傳感器工作條件

LiDAR測量是采用主動式測量，自行發射和接收激光脈沖，可穿透茂密植被直達地面，不受光照和陰影的限制，獲取的數字高程模型更接近真實地表形態，受天氣影響較小，還具航空攝影測量的大范圍和激光測距的高精度特性，LiDAR技術是大區域高精度數字高程模型數據獲取的最佳選擇。

(5)生產周期短

LiDAR達系統直接獲取地面三維點云的坐標和影像的方位元素，無需或僅需極少量的地面控制點，可以直接進行DEM和DOM的生產，與傳統航測立體測圖相比，成圖工作量是其30%～50%，調繪工作量是其50%左右，可較大幅度地縮短綜合工作周期。

三、激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用

(一)快速獲取數字高程模型

激光點云數據是激光雷達技術中特點相當明顯的數據產品，它產生的數據產物密度和精度都比較高，且能快速清晰的顯示點位的三維坐標構架。經人工交替操作或自動運行，將人放射到地面植物中或建筑物之類的地形之外目標上的點云統一分類、濾波或清除，之后構建二角網TIN，就能及時得到DEM。因為激光點密度非常大，數目比較繁多，DEM的生成也成為了現實。

(二)實現基礎測繪

基礎測繪的產品主要有數字高程模型，還包括數字正射影像（DOM）、數字線劃地圖（DLG）和數字柵格地圖（DRG）。無論是上述哪種產品的運行，都需要高精度三維信息的協助和引導。數字攝影測量操作起來很復雜，設備的前期準備及技術規劃方案都相當嚴格，要求技術工作人員有熟練的操作水平；在激光雷達技術處理下得到的數據和三維坐標，均能達到高精度影像微分糾正的需要，但是DOM的生產變得越來越簡易化，不再依靠數字攝影測量，在一般的遙感圖像處理系統中即能實現規?；a。

(三)森林工業的應用

機載激光雷達系統最早應用的商業領域即森林工業，因為森林業發展與國土管理都需要森林及其樹冠下端地形的準確數據，但是傳統技術中很難獲得樹高及樹的密度的精確信息。機載激光雷達與衛星成像不同，當利用這種技術勘測樹冠下的地形時，還可同時獲得樹的高度。

(四)精密工程測量

很對精密工程的測量，就需要進行對測量目標的高精度三維坐標信息進行采集，甚至有的還需要建立比較精準的三維物體模型，例如，電力選線以及隧道和礦山的測量、水文測量以及沉降測量、建筑測量、變形測量等行業。地面以及機載LIDAR都是對這些實際的問題解決的最好的方法。利用數碼像片所獲取的構筑物模型以及紋理信息進行三維模型的疊加構建，是對景觀進行分析、規劃決策以及形變測量、物體保護的重要依據。

比如LIDAR技術為公路、鐵路設計提供高精度的地面高程模型DEM，主要就是為了對線路設計以及施工土方量方面方便其精確計算。在對電力線路進行設計中，可以利用LIDAR的成果數據對整個線路設公共區域內的地形以及地物要素情況進行有效的了解。在樹木比較密集的地方，可以對樹木砍伐的面積以及木材量進行估算。在進行電力搶修以及電線維護時，需要按照電力線路上的LIDAR數據點以及相應的地面裸露點的高程進行對任意一處線路距離地面的高度有效測算。這樣在一定程度上非常便于搶修和維護。

(五)進行城市數字化建設

當前，各個行業都開始追求其自身業務的信息化。在數字城市中空間信息作為其基礎框架和平臺。對于數字城市的構件非常重要。LlDAR系統可以有效的獲取高分辨率以及高精度的數字地面模型和數字正射影像，能夠為城市提供非常寶貴的空間信息資源，在城市建設中發揮著非常重要的作用。

數字城市還需要構建高精度、真三維、可量測，具有真實感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺。然而對于傳統技術，進行城市三維建模是精雕細琢的工藝，工作量很大，效率非常低，同時效果也不是很好，對數字城市服務面的寬度和深度有直接的影響。利用LIDAR技術對地面建筑物進行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標高密度高精度的三維點坐標，對點云數據在軟件的支持下進行模型構建以及紋理映射，從多個方面地構建大面積的城市三維模型。同時可以實施快速動態史新，為數字城市建設基礎數據源的持續性、歷史性提供了確實的保障。

(六)水下地形測量

一些激光雷達技術利用了兩種不同波長的激光束對水底進行測量。離去，SHOALS系統在利用紅光（或紅外光）測量水面的同時，用藍綠光穿透水面測量水底，通過這兩個光束的接收時間差計算水的深度，所以可以進行大面積的水下地形測量。一般情況，海道的測量Lidar所能測量的海水深度為50m，同樣，這個深度隨著水質的清晰度的不同而發生變化，為航道、近海海洋、水文等行業被廣泛應用。

(七)數字礦山的構建

當前礦山以及依附礦山發展的城市遇到了很大的麻煩，環境由于過度的開采直接導致了環境問題的出現，再者過度的開采面臨著嚴峻的資源枯竭，此外還要考慮市場的近期狀況，考慮礦山的內部環節以及人、機、料、法、環方面的影響。當前的有效方式就是加強數字礦山的建設，從多方位多角度去看待問題，以達到根治的目的。數字礦山就是通過運用激光雷達技術快速采集整個礦山的數據，與此同時構建三維模型更好的表現其形式，因為每一部分的構成不同，建模時所考慮的側重點也不同。一般情況下，應分層構建，同時進行多方位的評價，一般情況主要是進行環境、經濟型、自然災害等方面的評價。如此一來，可以實現高效的反饋數據，連續二十四小時不間斷的提供數據，對于整體的模型構建的清晰合理，此外可以預測評估未來可能發生的事故，能幫助我們防患于未然。

(八)電力傳輸與管道布圖

在直升機平臺上工作的激光雷達系統，最適用于測量傳輸線路。由于直升機可以沿著電力線或者管道傳輸的走廊飛行，比固定翼飛機節約成本，并且直升機可以隨時根據需要調整高度和速度，以獲得更為精準的數據。如果在激光雷達應用平臺中同時使用錄像機、數字相機及其他傳感設備，既可實現激光雷達測量，也可同步進行線路檢查及制圖工作。

結語

總之，在我國工程測繪中，激光雷達測繪技術的應用極為廣泛，與傳統的測繪技術相比，激光雷達測繪技術有較高的準確性及精度，能夠對工程測繪的效率有效提升，由于激光雷達測繪技術在我國的應用較晚，在處理數據方面仍不夠成熟，因此還應通過深入研究，適當進行改進并完善，促使我國工程測繪得到有效發展。

參考文獻

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