高精度地形测量中的激光扫描技术应用探究

高精度地形测量中的激光扫描技术应用探究

吴畏 

湖北序航测绘地理信息有限公司 湖北省恩施市 445000

湖北省恩施市舞阳坝街道金桂大道153号钜鑫工贸办公楼3楼  

摘要：高精度地形图是现代测绘科学的重要组成部分，为城市规划、环境保护、资源勘探等提供必要的地理信息。近年来，激光扫描技术因其在地形测量中的高精度和高效率而受到广泛关注。该论文详细探讨了激光扫描技术在地形测量中的应用。通过合理的设备配置与精确的数据处理，可以得到满足严格精度要求的地形信息。研究表明，激光扫描技术能够在极短的时间内完成大面积地形的快速测绘，并且误差控制在较小范围内，有效提高了地形测绘的效率和精度。此外，通过对现有技术的改进与优化，可以进一步提高测绘精度，扩大应用范围。这项研究为理解和改进地形测量技术提供了实践依据，同时也为相关行业带来了技术革新的可能性。

关键词：高精度地形测量；激光扫描技术；测绘精度优化。

1、高精度地形测量的重要性

高精度地形测量作为地理科学的重要分支，也是现代测绘科学的关键技术，其重要性不言而喻[1]。不论是在城市规划、环保、资源勘探等多个方面，高精度地形测量都发挥着无可替代的作用[2]。

城市规划是一个过程复杂、涉及面广的活动，高精度地形测量为城市规划提供了关键技术支撑。详细精确的地形数据，能够帮助规划者更好地理解城市现有结构，以期在保障环境可持续性的达到城市发展的最优化目标。例如，地形数据可以用于计算排水系统的流向和速度，有效防止城市充水问题。关于土地利用的决策，也需要依托精确地形数据来制定和审核。

环境保护是全球共识，而实现环保目标的关键之一则是对自然环境进行全面、准确的了解和评估，而这离不开高精度地形测量的支持。准确的地形测量数据可以帮助了解地质结构和地形变化，了解气候变化对地形的影响，为环保工作提供科学依据。例如，对森林覆盖率、湿地等生态环境的保护、修复和改造，都需要准确的地形数据作为支撑。

资源勘探则是经济活动的重要组成部分，也是生活水平提高的一个重要前提条件。而无论是矿产资源的查找还是水资源的开发利用，都对地形地质状况有着高度的依赖性。通过高精度地形测量，可以获得关于地层结构、地形特征、地壳运动等重要信息，这些数据既可以辅助科研人员进行地质灾害预警，也可以引导资源勘探人员进行精准的地下资源开发，避免盲目开采带来的破坏。

总的来说，高精度地形测量是现代科技和经济社会发展的一项基础技术，其在城市规划、环境保护和资源勘探等方面都发挥着重要作用。随着科技的进步和测量精度的提高，高精度地形测量的应用领域将会进一步扩大，其在社会经济发展中的地位将更加重要。

2、激光扫描技术的基本概念与特点

2.1 激光扫描技术的基本原理

激光扫描技术是利用激光源的定向辐射特性，通过自动控制系统对地物表面进行扫描，获取表面高度数据的一种测量方法。在激光扫描过程中，激光脉冲的发射和反射信号的接收是由同一台设备完成的，所以这种设备俗称为“激光扫描装置”。

激光扫描装置的运行过程是：装置内的激光源发射出激光脉冲，将其聚焦成一束狭窄的光束，以高速旋转的方式投射到地面上。当激光脉冲遇到地面物质时，会产生反射，部分反射的光会回到激光装置，被装置内的探测器接收。

通过计算激光脉冲从发射到返回的时间，可以计算出激光脉冲与地面物质的距离。叠加飞行器的位置和姿态信息，以及激光束的方向，即可得到地面物质的三维坐标信息。

在这个过程中，激光装置的测量频率也非常重要。换句话说，设备每秒发出和接收激光脉冲的数量会直接影响数据的采集效率，而这主要取决于激光源的稳定性和探测器的灵敏度。

2.2 激光扫描技术在高精度地形测量中的优势

激光扫描技术在高精度地形测量中有显著的优势。激光扫描技术具有高精度和高效性[3]。由于激光脉冲能够快速精确地测量目标表面的距离，在地形测量过程中，激光扫描能够取得较高的空间分辨率和测量精度。

激光扫描装置对环境和天气条件有良好的适应性。无论是在夜晚、雾天还是在覆盖区域由林木、建筑物等复杂地形的情况下，都不会对测量效果产生较大影响。

激光扫描技术的操作简单，便于大规模使用。其数据采集系统易于安装，操作过程自动化程度高，可以在较短时间内完成大面积地形测量。

以上内容，详细介绍了激光扫描技术的基本原理和在高精度地形测量中的优势，为进一步探讨其在地形测量中的应用打下了基础。

3、激光扫描技术在地形测量中的应用探究与实践

激光扫描技术在高精度地形测量中的实际应用，其关键主要在于设备配置与数据处理方法。现存最主要的设备形式是Airborne Laser Scanning (ALS)，空中激光扫描技术。这种技术的成功运行，主要依赖飞行器（通常为无人机或飞机）、激光扫描设备以及用于接收反射信号的探测器。为保证测量精度，需要配备GPS和INS系统，用于实时获取飞行器的位置和姿态信息。

高精度的地形测量并非仅仅由设备决定，数据处理方法同样重要

[4]。传统的数据处理方法主要是基于离群点剔除、运动参数求解、扫描线矫正等一系列算法流程，但难以应对复杂地形变化和测量误差。近年来，随着深度学习技术的发展，一种基于神经网络的数据处理方法应运而生，其优点在于自动学习和适应不同地形和设备误差，显著提升了地形测量的精度。

有关激光扫描技术在地形测量中的实际应用案例，不胜枚举。例如，在高山区域地形测量中，通过空中激光扫描技术，可获取高精度地形数据，以辅助山岭建设和山体滑坡监控。在沿海地区，通过测量海岸线变化，能有效判断海平面升降情况，对海平面上升的环境因素进行预测，并提供有效的防护建议。更值得一提的是，在城市规划中，激光扫描技术可以获取城市地形变化的精确数据，为城市规划设计和施工提供依据。

将视线转向现有激光扫描技术的改进与优化，主要面向的是提升测绘精度和扩大应用范围两个方向。对于提高测绘精度，设备的优化是基础。例如，改进现有扫描设备的角度分辨率和距离精度，提高GPS和INS系统的定位精度等。优化数据处理算法，例如添加新的数据预处理和后处理步骤，或者改进现有神经网络结构和参数。

至于扩大激光扫描技术的应用范围，需要针对新的应用领域开发相应设备和算法。例如，在森林测量中，需要开发能够穿透树冠，获取地面信息的新型激光扫描设备。再如，在石油勘探中，需要开发能够适应复杂地层条件的地质地形测量设备和算法[5]。利用现有设备和算法的组合和调整，扩大其在不同领域中的适用性。例如，通过调整扫描角度和幅度，改变扫描距离和形状等方式，使设备能够适应更加复杂多变的地形。

4、现有技术的改进与优化建议

4.1 提高测绘精度的改进策略

当前实施地形测绘，激光扫描技术是一种优选手段。随着社会的发展和科技水平的不断提高，人们对测绘精度的需求也日益加强。针对这一核心需求，提出以下一些测绘精度的改进策略。对机器设备进行技术升级是提高测绘精度的基础。激光发生器、扫描器和接收器等组件的性能直接决定了激光扫描测绘的精度。进一步优化硬件性能和软件功能可以有效降低测绘中的误差，提升精度。改进测绘方法也是提高精度的有效策略。例如，优化测绘路径设计，改进激光扫描模式等，都可以从操作层面提升精度。提升人员技能是提高测绘精度的另一要点。需要通过职业培训，提高操作人员对激光扫描技术的熟悉程度和操作水平。

4.2 激光扫描技术应用范围的扩大策略

與此同時，對於激光掃描技術的應用範圍也應進行一些理智且具有前瞻性的拓展。在海洋科學研究、土壤保護及氣候變化觀測等領域，儘管激光掃描技術的應用還不夠普及，但其蘊含的巨大潛力卻不容忽視。这需要政策引导，法规支持，以及跨学科合作。另外，将激光扫描技术与其他技术相结合，如无人机技术、地理信息系统技术等，更为这个领域带来巨大潜力。例如，无人机激光雷达可以应用于森林资源调查、城市规划、河流识别等领域。提升激光扫描技术在教育和普及方面的作用。举办相关讲座、研讨会，进行示范教学，全面提高社会各界对激光扫描技术的认知，扩大其在生活中的应用范围。优化产业链、提升产业优势，培养优秀企业和人才，以提升整个激光扫描测绘产业的竞争力。

尽管激光扫描技术在地形测量中的应用已取得一定成绩，但本章建议需要持续开展技术研究和技术改进，将激光扫描技术更好地应用于社会各行业，为人类创造更大价值。

参考文献

[1]裴宁, 史文杰, 张明火, 等. 激光雷达数字地形映射技术及其应用[J].地域研究与开发, 2019, 38(01): 192-198.

[2]王品一, 杜泽中, 林琳, 等.大规模地形雷达测绘数据处理及成果质量评价[J].测绘科学, 2021, 46(02): 135-139.

[3]尹大红, 邓军. 基于轻小型无人机激光扫描的高精度地形测绘方法研究[J].水科学进展, 2018, 29(05):714-720.

[4]徐辉, 吴文莹, 李宏明. 基于点云数据的激光雷达地形测绘关键技术研究[J].遥感技术与应用, 2019,34(01):56-63.

[5]郑琛, 赵明, 石国祥. 基于TLS地形测绘的错误源及其影响因素分析[J].测绘通报, 2017, (12):35-38.