探究激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

探究激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

潘学鹏

关键词:激光雷达，测绘技术，工程测绘

一、前言

随着工程测绘要求的不断提高，一些传统的测绘技术很难达到发展的要求。近年来，越来越多的高科技新技术不断应用于工程测绘中。激光雷达测绘技术作为一种新型的测绘技术，逐渐发展成熟，并在工程测绘中成功应用。

二、激光雷达测绘技术的简介

1.激光雷达测绘关键技术的分析

（1）激光发射机技术。现在，激光雷达发射机选择的光源主要是气体激光器和半导体泵浦固体激光器等。半导体激光器是一种小型化的激光器，工作物质几十种。主要激励方式有电泵式、电注入式和高能电子束。大部分是电注入激励。通过多年来研究，其得到了很大的发展。波长覆盖范围越来越大，各项的性能参数和输出功率也得到不断提到，应用在某些重要领域。半导体泵浦固体激光器优点是量子效率高，重量轻、体积小、稳定可靠、工作寿命长，输出地光束质量好，已经可以解决工程的应用问题，是发展最快、前景最好的激光器。目前气体激光器是一种种类最多，应用最广、输出的激光波长最丰富的激光器。优点是输出波长的范围很宽，气体光学均匀性好，输出光束质量较好，稳定性好等。

（2）空间扫描技术。扫描方式分为扫描体制和非扫描体制，目前国内多采用扫描体制。应用最多的是机械扫描方式，扫描频率很高，能用不同机械结构得到不同扫描图样。二元光学式新兴重要分支，但目前工程应用还不成熟，扫描角度小，透过率也较低。

（3）终端信息的处理技术。该处理系统不仅要同步协调控制各个传动结构、扫描机、激光器和各个信号处理电路，还要处理从接收机送出信息，目标距离信息要努力获取，同时还要完成录取、产生及处理重构系统的三维图像数据。目前设计该系统主要采用计算机和大规模集成电路完成，用FPGA技术实现测距单元，同时还要采用精密测时的技术等。

（4）高灵敏度接收机的设计技术。接收单位由光电探测器、光学系统和回波检测处理电路等等组成，设计基本要求是：高回波探测概率、高接受灵敏度以及低的虚警率。工程应用中，要合理提高接收机的灵敏度来提高激光测距机性能。激光接收机核心部件是探测器，一定要合理选择使用探测器。由于雪崩光电二极管有可靠性好、体积小、内增益高等优点，首选用在工程中。

2.国内外目前典型激光雷达测量系统

由于科学技术的不断进步，国内外的典型激光雷达主要表现在：火控激光雷达方面是激光雷达在火控的系统中同微波雷达和红外系统的复合，它具有精度高，抗干扰的能力，适用于对超低空目标、舰载系统等火控系统。还有远程精密跟踪测量雷达，是美国海军空间同司令部和弹道导弹的组织下，美国麻省理工学院实验室研制的“火池”激光雷达，是一种大功率、宽带、成像和测量距离的雷达，可以识别真假目标和多弹头。还有测风激光雷达。20世纪90年代以来，随着半导体二极管激光器的发展，解决了激光雷达的实用性。

三、激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

1.基础测绘

基础测绘，是对工程测绘过程中的基本要求和基本目的的实现，一般来说，由于工程测绘是一种对待测物体的基本信息的搜集和整理的过程。所以在基础测绘的阶段，应该实现对数字影像的基本反映和切割，并在此基础上进行初步的测绘地图的形成。对于测绘工程来说，数字摄影和测量的工作是非常繁琐和重要的，所以要求实现对其基本线路和程序的严格设计和规划，经检验激光雷达技术可以根据数字三维坐标的方式实现地面三维坐标的定位。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。

2.精密工程的测量

很多精密工程的测量，都涉及到测量目标的采集，并获得三维坐标信息或者三维物体模型，例如在水文测量、建筑测量、沉降测量、电力选线、文物考古、变形测量等行业中。地面激光雷达和机载激光雷达就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。例如激光雷达技术在铁路设计、公路设计中提供的高精度地面高程模型，可便于线路的设计与施工方法精确计算。在电力线路设计过程中，利用激光雷达技术的成果数据可以对整个线路有所了解，包括公共区域内的地物、地形等要素；在电路线维护或抢修时，根据电力线路中的激光雷达数据点，以及对应地面裸露点的高程，计算出任意位置线路距离地面的高度，方便维护与抢修；另外，在树木的密集区内，也可利用激光雷达估算出需要砍伐树木的面积与木材量。

3.数字矿山的构建

数字矿山的建立既满足环境友好型、经济节约型社会需要。也对促进矿山可持续发展具有重要作用。近年来，我国矿业及矿业城市遇到了生存与发展的困境，而矿山生态环境、资源枯竭等问题严重，矿山系统内的功能受到局限，矿山的人力、物力、财力都有所影响。若想解决这些问题，必须加强对数字矿山的重视。利用激光雷达数据滤波迅速提取矿区内的相关数据，建立起三维虚拟地面模型，并确定建筑物的合理区域，提取建筑物的顶面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分层组合建模、匹配融合等，实现塌陷区的生态环境与经济评价，对由于沉陷造成的土地侵蚀与裂缝进行分析，调查沉陷区的建筑物破坏情况，以及检测滑坡地质灾害等。

4.电力传输与管道布图

在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。

5.森林工业的应用

机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。在对数据的后处理中，独立的激光返回值可分为地面返回值与植被返回值两部分，并以此计算出更多林业相关信息，如树高、材质、树冠覆盖以及生态环境等，这些都是传统摄影测量或者地面测量无法获得的信息内容。

6.数字城市建设的应用

数字城市是21世纪以来，很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。激光雷达测绘系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源，因此是数字城市建设的重要技术力量。数字城市，还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术，进行城市三维建模是精雕细琢的工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用激光雷达测绘技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，多方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态史新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。

四、结束语

随着相关技术的不断发展和成熟，激光雷达测绘技术得到了蓬勃发展。激光雷达测绘可得到高分辨率图像，今后必将在军事和民用各个方面得到更加广阔的应用。

参考文献

[2]谢武材.激光雷达测绘技术及其在工程测绘中的应用[J].大科技・科技天地,2010(10):121-122.

[3]杨红博.探讨激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用[J].科技创新导报,2013(10):138.