激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用研究

激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用研究

靳纪伟

广东省国土资源测绘院  510500

摘要：激光雷达测绘技术是基于激光测距原理获取被测点的三维坐标，系列空间点的集合形成“点云”，对点云数据进行预处理、配准、表面重建和纹理映射，并构建目标地物的三维数字模型。激光雷达测绘技术是当前快速获取空间地物三维坐标，进行高精度空间测量，直接将空间物体信息进行数字化转换处理的重要手段之一。本文结合激光雷达测绘技术原理，深入探讨激光雷达测绘技术在工程测绘中的具体应用。

关键词：激光雷达；工程测绘；应用

引言

工程测绘按照工作顺序和性质不同可以被划分为工程勘测、地形地貌测绘、建筑测绘和安装设备前进行的测绘等。在所有建设项目开始之前，都需要进行工程测量，通过工程测绘，我们可以降低工程中的误差。本文通过对激光雷达测绘技术的分析研究，提出科学的技术应用策略，为工程测绘活动的开展提供参考。

1激光雷达技术

激光雷达是通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号（激光束），再将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，即可获得目标的有关信息，可快速、精确地测量探测器至物体的距离，然后通过数据处理生成精确的数字地面模型和正射影像，并可直接提取所需的地物点云信息。车载激光雷达扫描设备是将三维激光扫描系统（激光雷达扫描设备、数码影像传感器、GPS_IMU系统）整体安装在汽车等交通运输平台上的主动式激光雷达扫描移动测量设备，具有较高的灵活性，可快速、大面积获取对象表面高精度的三维坐标数据。地面激光雷达扫描设备是将三维激光扫描系统架设在地面三脚架或固定的推车上进行数据采集的设备。通过内业提取采集的三维激光雷达点云信息，可生成高质量地形图，与GPS-RTK、全站仪等测量技术相比，具有明显的效率优势。地面激光雷达扫描技术能快速、全面地获取数百米范围内目标的精确空间三维坐标，可满足对无特征区域的测量要求。无人机机载激光雷达主要包括无人机飞行平台和机载雷达荷载两个部分,其中 LiDAR 技术所获取的空间三维坐标精度根据其定位原理主要受激光雷达设备的测距精度、测距瞬间的定位精度、姿态角误差、扫描角误差及时间同步误差综合影响,且高程定位精度明显优于其平面定位精度。

2激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的应用要点

2.1选取激光雷达系统

在选取激光雷达系统过程中，首先要明确矿山地形测量的具体要求，诸如精度要求、测绘范围、测绘对象等，同时结合测绘需求，选择合适的激光雷达系统性能参数，包括测距范围、测角范围、测量精度、测量速度等参数[3]。针对大范围地形地貌的测绘，要选择测距范围较大且测量速度快的系统。针对建筑物等小范围对象的测绘，选择测量精度高的系统。在作业过程中，系统之间的距离和角度会有明显差异，可以对激光设备的姿态角度灵活调整，保证轴向角度能发生变化，最后校验偏差。以矿山地形测量为例，考虑到矿山地形的起伏变化较大……等原因，更适合采用无人机机载激光雷达。[1]

2.2数据获取

在矿山地形测量中，需要对激光雷达测绘技术进行优化应用，获得精准、全面的地形数据，为后续数据处理提供依据和保障。在数据获取作业中，需要对理光雷达测绘技术的应用流程进行详细掌握，保障地形测量工作的有序开展。在具体的地形测量前，还需要对矿山地形地貌、地质环境、水文条件等进行全方位勘测调查，结合具体地形特征，精准设置激光雷达参数，其中主要涉及到激光电频参数、无人机飞行速度、扫描电机参数、净空高度。横纵向点距等参数进行灵活性调整，才能促进激光雷达测绘技术的正常应用，保障矿山地形测量数据精确性。在具体的地形数据采集过程中，需要利用专业的雷达设备，向矿山地表发射激光脉冲，当激光脉冲反射到地面经由传感器进行接收，同时对反馈回来的激光脉冲转化为电脉冲。为了保障对地形数据进行精准测量，需要安装GPS装置，从而快速精准定位传感器的详细位置。此外还需要安装惯性测量装置，在惯性测量单元的支持下，对雷达实时姿态数据开展详细检测，从而获得更加精准全面的激光脉冲、地面接触的空间三维坐标，从而构建空间三维模型。完成以上作业后，需要利用专业的数据分类技术，剔除无效数据，如建筑物、植被等数据坐标，同时利用科学技术对数据中的乱码进行科学编排和处理，保障地形数据的全面性、真实获取。

2.22.3 数据处理

在使用激光雷达测绘技术对矿山地形进行测量时，需要采集和获取海量数据，其中存在很多无效、无序数据，因此为了提升地形数据精度，需要采取科学合理的数据处理方法，对数据信息进行筛选处理，提取有价值的信息，强化数据处理质量和效率。在具体的数据处理工作中，需要结合激光雷达测绘技术的应用特点，通过TerraScan工具进行优化应用，当对信号不好、没有信号的区域以及水域进行信息采集时，传感器中接收的反馈信息往往是以乱码信息形式呈现。针对此情况，需要采取科学的数据处理措施，对原始数据中的乱码信息进行剔除，避免存在无效信息，从而有效减少后期数据处理工作量，并保障整体地形测量数据精度。矿山面积范围较大，且地形复杂，涉及到的测量要素较多，在利用激光雷达测绘技术进行测量时，扫描内容较为繁杂，测量的内容较多且复杂，容易出现重复扫描的问题，而且由于受到各种因素影响，导致同一区域的每次扫描数据存在很大差异性。基于此，需要安排专业人员对数据差异开展全方位分析和处理，尤其要对重叠区域的激光数据进行科学分类，做好激光数据拼接工作，这样才能确保重叠和非重叠数据的平稳过度，并对不同矿山区域地形数据的有效性对接。还需要对地形数据开展滤波处理工作，尤其要对模糊、不明显数据进行剔除，提炼精准性较高且可靠性较强的数据，这样可以有效减少数据文件数量，实现地形数据的便捷化处理，最大程度上提高数据精准度。

2.32.4 精度控制

为了对矿山地形测量精度进行严格控制，需要对完成处理的数据进行绘制，形成矿山空间三维模型，使其对矿山实际地形情况进行真实仿真模拟。在模型制作环节中，要严格按照相关技术规范要求，对模型网络间距进行优化控制，确保与实际矿山地形等高距与标准比例尺要求保持契合性。此外，还需要选择代表性的模型数据，展开数据精度对比分析，保障对比效率的提升，为测量数据的精度判断提供依据，确保与标准精度参数要求保持契合性。在具体的精度分析作业中，要对经过处理后的数据进行科学分类，尤其要结合实际情况，且要在云技术的支持下，精准提取矿山地面不同参考点的坐标数据，制定特定比例的数字表面模型 ；要对该模型进行科学分析，并标记模型中的关键点，对这些点位的数据进行扫描标记，形成矿山地形等高线图，这就是模型初步雏形。最后，还需要科学选择检查点，通常情况下，需要把不同植被覆盖程度、不同地形、不同高度的数据点当作检查点进行应用，且需要保障各个检查点的代表性和典型性，然后把检查点数据与矿山地形测量数据进行比较分析，这样能够对不同点位的数据误差进行详细了解与掌握。基于此，才能对矿山地形等高线平均误差进行精准计算，有效提升矿山地形测量精度。

3激光雷达技术的应用注意要点

无人机作为主要承载设备，其运行状态会影响到激光雷达设备使用效果，所以在飞行准备阶段，需要对无人机整体情况进行检查，避免飞行过程中桨叶、机身出现故障导致坠机。起降环境勘察以及对飞行航线进行规划检查也是必要的，应避免无人机在无线通信基站等电磁干扰较强的环境中飞行，防止无人机出现信号中断的情况或者撞到障碍物。同时，还要注意观察天气。虽然目前无人机具有较好的抗风、抗雨能力，但是当风力和雨量达到一定等级后会影响无人机的正常运行，因此，需要随时观察天气情况，及时进行调整。在飞行过程中，也不能松懈，要时刻关注设备情况，保证无人机的飞行安全。无人机和激光雷达都是较为精密的设备仪器，在工作过程中可能会遇到一些突发情况，从而影响设备的使用，需要根据现场实际进行操作。虽然当前应用的无人机设备对环境的适应性较高，但是遇到极端天气也会受到影响。此外，设备使用过程中，人为操作因素也会有很大影响，无人机飞行速度过快、高度过高，都会影响激光雷达的扫描效果，因此，在进行激光雷达扫描作业时，需要根据激光雷达设备发射功率和频率来确定无人机的飞行高度和速度，确保激光雷达设备运行在有效的扫描范围内。

结束语

综合而言，随着现代测绘事业的稳定发展，激光雷达测绘技术水平日益提高，具有时效性、精确性、全面性等特点，促进了工程测绘效率和水平的提高。通过对激光雷达测绘技术的合理应用，能够优化测绘流程与步骤，降低工程测绘成本，简化操作细节，获得准确的测量数据。因此，为促进工程测绘领域深度发展，应该加强对该技术的应用与研究，结合测绘要求，不断对技术完善和优化。

参考文献

[1]范波根.机载激光雷达测绘技术在矿山测量中的运用分析[J].低碳世界,2023,13(07):31-33.

[2]赵玺旻.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用分析[J].信息系统工程,2023,(05):64-66.

[3]郝祥侠.激光雷达测绘技术在矿山地形测量中的精度探讨[J].西部资源,2022,(04):72-74.

[1]增加选择无人机机载雷达的原因，更连贯一些。