三維激光雷達測量技術的研究和應用

柴偉杰

（河南建筑職業技術學院，河南 鄭州 450000）

國家基礎設施建設規模正在逐漸增加，這給各類測繪工作的實際開展提出了更高的要求，從測繪成果資料的角度來進行分析，其對于相關數據準確性的要求也正在逐漸地提高，要求所提供的成果能具有更高的時效性。但是，在實際采用傳統方式進行測繪的過程之中，不僅需要耗費大量的時間，也需要耗費大量的精力，尤其是測區存在密集的建筑物或是較多障礙物的情況下，測繪的難度也會進一步增加。而為了進一步解決這一難題，三維激光雷達測量技術的應用發揮了十分重要的作用。

從我國現階段測繪行業發展的角度來進行分析，三維激光雷達系統雖然還屬于一項新技術，但是，卻是十分前沿的一項科技技術，不僅測繪效率方面具有十分顯著的優勢，還能在一定程度上達成非接觸測繪以及實時測繪等相關方面的目標。在獲取空間信息的過程中，其已經成為一種具有較高準確性以及快速性的手段。

1 三維激光雷達測量技術的內涵

在實際落實空間信息采集相關工作的過程中，三維激光雷達技術雖然還屬于一種新型的技術，但是其整體的價值卻不可忽視，其在工作的過程中，主要是通過頻率較高的激光脈沖的發射，針對目標區域展開掃描作業，對于大量的點云信息進行采集，所獲得的信息不僅包括目標物體的幾何結構以及三維信息，也能對于目標物體的弱紋理等相關方面的信息進行收集[1]。而在搭載平臺存在一定差異的前提之下，激光雷達系統也可以被劃分成車載、機載以及星載等若干個類型，而在實際應用的過程之中，使用最為廣泛的一個類型就是機載的激光雷達三維雷達測量系統[2]。其充分地整合了慣性測量技術、雷達技術以及全球定位系統，能在快速以及高效的情況下，收集到所需要的信息，而且能在最大限度上保證所收集到的數據的精度，這一系統在實際進行點云數據收集的過程中具有十分顯著的優勢，不僅數據具有較高的豐富性的特點，而且整體具有較高的精度。在實際運行的過程之中，外界因素不容易對其造成較大的干擾，其整體可以到達微米級的精度，能在較大程度上還原地面的物體，為建?；顒拥拈_展提供良好的基礎。

激光雷達測量系統在實際開展工作的過程中，激光脈沖二極管會發出數量較多的激光脈沖信號，并且借助系統中所搭載的靈棱鏡將所發送的激光脈沖信號轉至需要掃描的區域，之后探測器會對所獲得的反射信號進行接收，設備會自主針對收集到的信號進行記錄，并且對其格式進行轉換以及調整，使其能真正成為具有較高識別度的數據資料，在借助專業的軟件進行分析的基礎上，達到獲得實體模型的目的。而伴隨著現階段高新技術發展速度的逐漸加快，慣性導向系統、高精度動態差分GPS 的技術水平也正在逐漸提升，使得激光點云數據能真正獲得較高的準確度，減少誤差問題的發生。

2 三維激光雷達測量技術的實際使用優勢

從三維激光雷達技術自身特點的角度來進行分析，其融合了現階段測繪界比較流行的多項先進的技術，在應用的方面具有十分顯著的優勢，不僅在數據的密度方面整體較高，而且在實際進行激光點云采集的過程中，能達到合理的進行間距控制的目的。通常情況下，間距能達到1 米左右，但是在充分考慮實際需求的情況下，還能使得這一間距進一步縮短[3]。而受到上述所具有的采集條件所帶來的影響，數據的密度也能整體呈現出上升的趨勢，在實際建立地面高程模型的過程中，其應用價值往往不可忽視。

從采用傳統方式進行數字地面模型測量的情況來看，平均點多數情況下都在25m 左右的間距，由此可見，激光雷達測量技術在實際應用的過程中，無論是在精確度方面，還是在數據的整體密度方面，均整體較高。這種方式主要是借助激光測量的方式來達到獲取激光點云數據的目的，從理論上來講，其高程精度最小可以到達0.1m，從平面進入的角度來進行分析，其最小可以到達0.15m。而在實際進行空三定位的過程中，其先進度也整體較高，這項技術可以說是多項先進技術的進一步融合，不僅融合了現階段比較流行的全球定位系統，也在較大程度上應用了慣性導航技術[4]。在實際進行空間定位的過程中，其整體的精準度相對較高，能使得傳統測繪工作開展過程中必須針對地面上數量較多的線控點進行校正的弊端得以進一步地打破，其在工作的過程中具有較為顯著的抗干擾能力，尤其是受到陰影以及太陽高度等相關方面因素所帶來的影響整體更小，在實際進行測繪的過程中，能更好地穿透植被。

結合上述基礎，在實際進行測繪的過程中其所獲得的數據，無論是在真實度方面，還是在精度方面，均整體較高，而且其自身也具有較快的數據處理技術。通常來說，要想對長度在100km 左右的公路進行測量，僅需要10 天左右的時間就能順利地完成測量的任務，其無論是在數字化水平，還是在智能化水平方面都具有較為顯著的優勢。在測繪的過程中，能充分應用全數字的形式，在數字長度信息獲取的過程中具有直觀性的特點，而且在描繪數據信息的時候具有更強的智能化、便利化以及穩定性的特點，尤其是在針對自主發出的激光脈沖信號進行測繪的過程中，主動性和及時性均相對較高，并且能準確地進行反射信號的收集，通過這樣的方式，達到精準描繪目標測繪物樣貌的目的，而且在測繪的過程中不容易出現誤差，受到時間以及空間因素所帶來的限制整體更小。而且在實際進行測繪的過程中，不需要直接和目標互相接觸，就能使得測繪中真正獲取實體的矢量化立體信息，在不接觸被測物體的基礎上，精準地測量目標物，能一次性使得測量的任務得以完成，在較大程度上還原目標的測繪物體，能避免工作人員在測繪的過程之中進入危險地段，對于保證測繪工作開展過程中所具有的安全性具有十分積極的價值[5]。

3 三維激光雷達測量技術的工作流程

3.1 獲取點云數據

第一，在實際架設基站的過程中，其在數據采集的環節能否保證精度，會對傳感器運轉過程中的偏差帶來直接的影響。從最終的情況來看，也會對點云數據的整體精度帶來直接的影響，因此，在充分結合項目自身特點的基礎上，在選擇基準站的過程中，需要盡可能地選擇測繪區中點的位置，同時這一區域需要避免受到外界因素的干擾，以相對空曠的區域為主，基準站在系統選擇的過程中以CORS 系統為主，依托GPS 技術對于相應的坐標空間信息進行采集，基準站在實際采集數據的過程中，非特殊情況下，選擇的都是靜態化的采集模式，采樣的間隔時間結合實際情況予以確定。

第二，在實際采集數據的過程中，即在獲取點云數據的過程中，需要在提前確定好基站控制點布測位置的前提之下，做好設備的調試以及設置的相關工作，正式開始采集點云數據，結合相應的轉換參數對于測區的相關參數進行計算，最終生成點云數據，后續還需要針對所獲得的點云數據進行處理，不僅需要對獲得的點云數據進行去噪處理，還需要精準地完成點云數據的分類，注意分析以及檢查所獲得的點云數據的精度，使得點云數據能真正地被投入實際的應用過程之中。

第三，三維激光雷達測量系統在單次采集的過程中，所獲得的原始數據也同時包含多種類型，其不僅包括影像數據、激光數據，也包括POS 采集的數據以及GNSS 基準站采集的數據。而要想真正生成點云數據，不僅需要對所獲得的點云坐標進行轉換，還需要針對測距與坐標的參數進行轉換計算，利用POS 技術針對所獲得的數據進行融合以及解算的相關處理，針對基站運轉過程中所獲得的數據做好處理的相關工作?；驹趯嶋H處理數據的過程中，主要是在合理設置天線的基礎之上，轉換原始的GNSS 數據所具有的格式，使其能形成可被識別的文件。而在實際針對POS 數據進行轉換的過程中，還需要使用一系列的后處理軟件進行操作，所選擇的后處理軟件不僅具有較高的可配置度，還需要具備強大的功能，能真正滿足數據事后處理的相關要求，尤其是對于所有可供使用的INS 數據以及GNSS 數據都具備一定的處理能力，確保在獲得組合的導航信息的過程中，能真正具備較高的精度。信息的內容不僅包括測繪目標物的姿態，還需要包括其速度以及具體的位置等，在通過解算POS 數據獲得點云數據的過程中，還需要借助CoPre 軟件，融合解算POS 數據以及在測繪工作的開展過程中所獲得的原始的激光數據，最終達成獲得點云數據的目標。為了確保所獲得的點云數據能真正具備較高的精度，在轉換點布設的過程中，需要充分考慮現實的情況，結合GPS控制測量以及技術的相關要求，保證轉換點布設的合理性，在結合所獲得的一系列轉換點數據的基礎之上，對需要測繪的區域的坐標參數進行轉換，之后充分發揮CoPre 軟件的積極價值，做好針對點云數據的處理工作，達成進行高程轉換的目標，最后還需要充分地借助拍攝過程中所獲得的影像數據，針對所獲得的點云數據進行渲染以及著色處理，使得最終的點云數據能真正具備RGB 的顏色值，實現對測繪目標物以及目標區域的高精度還原。

3.2 處理點云數據

從數據采集的角度來進行分析，在激光反射過程中，在信號變化以及系統載體穩定性姿態因素所帶來的影響的基礎上，在實際進行點云數據獲取的過程中，非常容易出現噪聲點、突變點以及孤點等相關方面的問題，這就需要從分類以及去噪兩個方面出發，針對點云數據進行處理，使得數據的整體質量能真正得到優化，同時分析點云數據的精度。

第一，在實際針對點云數據進行去噪處理的過程中，主要是對所收集到的點云數據的情況進行分析，去除其中多余的部分，對于部分噪聲點出現的小范圍的移位情況，使其能盡可能地回到最初的位置，在實際進行去噪操作的過程中，需要最大限度地確保點云模型的表面光順以及平坦，確保原始物體的細節特點能最大限度地得到保留，在去噪的過程中，需要最大限度地避免點云模型的表面出現扭曲等相關方面的問題。

第二，在實際針對點云數據進行分類的過程中，通常情況下需要做好針對地面的相關信息的采集工作，但是由于激光點的原數據具有數量龐大的特征，這樣會導致在實際進行地面特征點選擇的過程中發生偏差，因此，在實際針對需要的點云數據進行篩選的過程中，還需要合理地應用點云分類的技術。在實際處理內業數據的過程中，激光點云分類是十分重要的一個步驟，尤其是在建設復雜場景以及針對地面進行數字模型構建的過程中，其應用的價值整體較高。

第三，在實際評價點云精度的過程中，需要嚴格依照《測繪成果質量檢查與驗收》中的相關要求，在實際進行檢測的過程之中，需要充分地依托高精度的數據，充分借助三維激光雷達技術，針對測繪的目標區域以及目標的測繪物進行外業采集，最大限度地保證其精度能真正滿足實際的需求。

綜上所述，在實際進行空間信息獲取的過程中，通過充分地應用三維激光雷達測量技術，不僅能使得鎖測量的數據更多地體現出準確性以及快速性的特點，還能在一定程度上減輕人工外業采集的壓力，使得測量工作的整體開展效率能在較大幅度上得到提升。通過此種方法進行信息采集的工作，不僅能使得測量的難度得到較大幅度的降低，而且能獲得更為豐富的數據信息，成果的生產效率也能實現較大幅度的提升，尤其是在障礙物較多的區域開展測量工作的過程中具有十分顯著的優勢。在地表環境比較復雜的情況下，能真正深入到人工難以到達的區域采集信息，盡可能地減少測繪人員在工作過程中所面臨的安全方面的風險，借助三維激光雷達測量技術來收集測繪區點云數據信息，通過精細化地實施點云的分類，對非地面點以及地面點進行合理的區分，達到對地面特征點信息準確提取的目的。但是，從客觀的角度來進行分析，三維激光雷達測繪技術也很難完全實現對于傳統人工測繪方式的替代，在三維激光雷達技術測繪過程中無法到達的區域，依然需要通過傳統的測量方式進行所缺失的數據的彌補，為測繪產品的生產質量保證打下良好的基礎。