三维激光雷达在测绘领域的海外应用案例

三维激光雷达在测绘领域的海外应用案例

付岩寒

上海华测导航技术股份有限公司

摘要：激光雷达技术是一种主动遥感技术，通过向目标发射激光脉冲，并测量反射回来的激光脉冲时间差，来获取目标物体的三维信息。随着遥感技术的不断发展，激光雷达已经在测绘领域取得了显著的成果。本文列举了三维激光雷达在地形测绘，矿山测绘以及智慧城市三个领域的海外实际应用案例。

关键词：三维激光雷达；测绘领域；海外应用案例

一、三维激光雷达简介

三维激光雷达又称为LiDAR（Light Detection and Ranging）或3D激光扫描，

是一种利用激光测距原理的传感器。其原理是通过激光脉冲发射到目标物体表面，然后接收反射回来的光脉冲，通过测量发射和接收之间的时间差来计算目标物体与传感器之间的距离，进而生成覆盖周围环境且带有三维信息的点云（Point Cloud）数据。

二、三维激光雷达技术原理

三维激光雷达技术的更新迭代历程主要基于两种技术的快速发展：激光测量技术以及组合导航技术。激光测量技术最早可追溯至上世纪80年代左右，通过固定激光扫描仪的位置进而记录被扫描物体表面密集且大量点的三维坐标、纹理、反射率等信息，最终输出被测目标的三维模型以及线面体等多种图件数据。组合导航技术由卫星定位系统（GPS）以及惯性导航系统（INS）组成：卫星定位系统是一种天基无线电导航系统，能够在全球范围为多个用户全天候、实时、连续地提供高精度三维位置、速度及时间信息；而惯性导航系统位于运载体内，具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数（位置、速度、姿态）等优点，是目前最主要的导航系统之一。

激光测量技术促进了三维激光扫描仪在遗址保护、施工质量管理、古建筑保护、工程测量等多行业应用并形成颇具规模的产业。然而随着互联网地图服务、智慧城市建设以及智能导航的发展，部分行业逐渐不满足于激光扫描仪的作业效率，对数据获取提出了新的要求：既要快速全面获取高精度高分辨率地理信息，又要对地理信息进行及时动态的自主更新维护，于是一种融合了激光测量以及组合导航技术的三维激光雷达技术应运而生，也被称为继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新。该技术可以在移动载体行进过程中获取精确的地理编码影像和激光点云数据，在保证精度的同时大大提升了采集扫描效率，广泛应用于海内外多种测绘行业及应用领域。

三、三维激光雷达技术优势

三维激光雷达技术在测绘领域中具有重要作用，主要体现在以下几个方面：

1.激光雷达技术具有高精度的特点。激光雷达系统可以实现厘米级甚至毫米级的测量精度，与其他传统测量方法精度相持平。这种高精度使得激光雷达技术在测绘领域中得到广泛应用，能够满足对地形、建筑物等细节的精确测量需求。2.激光雷达技术具有高效率的优势。相比于传统的测量方法，激光雷达技术可以实现快速、自动化的数据采集和处理。激光雷达系统在飞行器、车辆等载体上安装，可以实现大范围、高精度的三维数据获取，大大提高了测绘工作的效率。3.激光雷达技术还具有良好的适应性和灵活性。激光雷达系统可以在复杂的环境中工作，不受天气、光照等因素的影响，能够在夜晚或恶劣天气条件下进行测量工作。同时，激光雷达技术还可以根据不同的应用需求选择不同的工作模式和参数设置，具有较强的灵活性。除此之外，激光雷达技术还具有非接触、非破坏性的特点能够实现对目标物体的远距离、高精度测量，避免了传统测量方法中需要接触物体表面的缺点。这使得激光雷达技术在测绘领域中得到广泛应用，可以实现对地形、建筑物、森林等不同类型目标的精确测量。

激光雷达技术作为一种先进的测量技术，在测绘领域中发挥着重要作用。其高精度、高效率、良好的适应性和灵活性，以及非接触、非破坏性的特点，使得其在地理信息系统、城市规划、环境监测等领域都有着广泛的应用前景。随着技术的不断发展和完善，相信激光雷达技术在测绘领域中的应用将会越来越广泛，为测绘工作带来更多的便利和效益。

四、海外应用案例分享

激光雷达技术在测绘领域的海外应用案例丰富多样，涵盖了传统地形测绘、矿山测绘、建筑物三维重建、城市规划、环境监测等多个方面。这些案例不仅展示了激光雷达技术在实际应用中的效果，也为测绘领域的发展提供了重要的参考和推动。

4.1地形测绘

印度尼西亚某土地测量公司引进了一套机载激光雷达系统用于大面积的传统地形测绘项目。传统地形测绘指的是测绘地形图的作业，即对地球表面的地形以及地物在水平面上的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小后用符合及注记绘制成地形图的工作。常见的地形测绘按比例尺分为1:500和1:1000及1:2000三种规格，他们之前采用航空摄影测量方法，通过专业机载正射相机或倾斜相机拍摄出的影像进行空三拼接后完成室内测图，并进行适当的外业补测补绘。然而，该方法用于大面积的地形测量时经常面临如下几个问题：1. 外业像控点布置工作量大。一般航空摄影测量方法需要大量布设外业像控点来保障精度，极大增加人员投入和成本，有些地势险峻或者人员密集测区很难甚至无法布设像控点，且给外业人员带来安全风险。内页数据处理阶段，也需要进行人工刺点，工作量大还会产生人为错误。2. 植被茂密地区很难获取精准地面信息。航空摄影测量方法，因为可见光很难穿透茂密植被，因此航空像片只能拍摄到植被顶端进而无法获取到可信的地面地形信息，需要后期大量的人工补测，极大影响作业效率及作业精度。3. 有效作业时间区间短。因为可见光的原因，传统航测手段只能在白天视野可见度较高的时候才能作业，对作业天气及时间要求较高。涉及到工期较紧的项目，无法加快外业效率的同时只能在内业采用大量人员赶工期，增加大量人力成本。

新引进的机载激光雷达系统可解决如上问题。以他们完成的某项目为例：测区位于雅加达市周边某面状区域约200公顷，全域有密集植被覆盖且工期紧时间重，三维激光雷达技术在该项目中展现了如下优势：1. 免像控高精度。该项目采用固定翼无人机做载体，在航高200m，速度20m/s的条件下用时不到一小时即完成全部数据采集，经过与控制点对比最终成果的绝对精度达到2.3cm，满足项目交付要求。2. 丰富的地面点信息。激光雷达特有的多回波技术，可以使激光从植被缝隙中穿过在地面进行反射并收集，进而得到准确的地面信息。3. 全天候作业。激光雷达特有的主动遥感模式与非可见光波段即使在夜间仍可正常工作，大幅缩短了外业工期。

4.2 矿山测绘

矿山测量是关乎国家经济进展的重要技术测量，它是一种利用相关电子仪器设备，对地质进行测量，以探寻经济进展所需要的资源和能源，为矿山开采作准备工作的一种测量手段。当前矿山测量技术设备中，全站仪、陀螺经纬仪等仪器设备较为常用，然而近年来随着测量强度的增加和地址条件的复杂化，现有的仪器设备在有些地质条件下难以发挥出正常水平，主要有如下弊端：1. 测量精度低。主要原因可归结于测区负责地形以及低密度的矿山特征点。2. 测量速度慢。矿山行业对动态监管的时效性有非常高的要求，需要每天都出具实时报表，使用传统测绘设备速度太慢，与矿山实际生产能力不符。3. 安全隐患。矿山环境的特殊性会给测量工作人员带来巨大的安全隐患，例如滑坡、落石等等。为解决以上问题，蒙古某矿业公司引进了一套高精度的激光雷达测量系统用于快速且精准的露天矿数据采集及更新服务。搭配上专业的方量后处理软件，可以自动将采集到的点云数据进行DEM，DLG和方量计算，快速生成多种矢量数据及统计报表。与传统测量仪器相比，激光雷达作业的免接触式扫描，快速数据处理以及矿山场景的精细复刻等优势提升了企业70%的作业效率且降低了50%的运营成本。

4.3 智慧城市

展望激光雷达技术在测绘领域未来的发展方向，首先需要关注其在智慧城市建设中的应用前景。随着城市化进程的加速，智慧城市建设成为未来城市发展的必然选择。激光雷达技术在智慧城市建设中发挥着至关重要的作用，通过激光雷达传感器获取的高精度数据，可以为城市规划、交通管理、环境监测等领域提供重要支撑。例如，美国纽约大学使用激光雷达技术对著名建筑物进行了三维扫描，包括自由女神像、帝国大厦等，为建筑文化遗产的保护和研究提供了重要数据支持；德国柏林市政府利用激光雷达技术对城市进行了全面扫描，实现了城市各个方面的数字化建模，为城市交通规划、土地利用规划等提供了重要参考。

未来，随着激光雷达技术不断的创新和进步，其在智慧城市建设中的应用将更加广泛和深入。在智慧交通领域，激光雷达技术可以实现对车辆、行人等交通参与者的高效监测与识别，为智能交通系统提供精准的数据支持，实现交通流量的智能调控和交通事故的预防。同时，在城市规划领域，激光雷达技术可以实现对城市地形、建筑物等的高精度三维扫描，为城市规划、土地利用等决策提供科学依据。

结束语

通过对激光雷达技术在测绘领域的海外应用案例的介绍和分析，我们可以看到激光雷达技术在提高测绘精度、减少人力成本、提升作业效率等方面的重要作用。随着激光雷达技术的不断发展，其在测绘领域的应用将更加广泛。我国在激光雷达技术的研究和应用方面也取得了一定的进展，但与发达国家相比，还存在一定的差距，因此，我们需要进一步加强对激光雷达技术的研究和应用，推动我国测绘领域的发展。

参考文献

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