激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用探讨

刘伟

摘要：随着测绘技术的不断发展和仪器设备的不断更新，水利基础建设对测绘产品质量与效率的需求也在不断提高。从20世纪八十年代开始，机载激光雷达(LiDAR)测量技术在一些发达国家得到广泛应用，成为现代测绘技术中一种能快速有效采集地理信息的高新技术。近年，我国对该技术进行了一定程度的研究和应用，测绘行业不断引进该技术设备，应用技术较为成熟，正逐步完善机载激光测量技术的相关规范。

关键词：激光雷达测绘技术；工程测绘；应用

中图分类号： O434 文献标识码： A

一、激光雷达技术简介

激光雷达测量技术是最初由欧美发达国家发展起来并投入商业化应用的一门新兴技术，集成了激光测距系统、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)3种技术于一身，在三维空间信息的实时获取方面取得了重大突破，为获取高时空分辩率的地球空间信息提供了一种全新的技术手段，是当今测量业界最先进的测绘技术。

二、激光雷达技术特点优势

(一)技术特点

a)获取高清晰数码影像的能力。激光雷达系搭载的专业数码相机可获取高清晰的数码影像，也就意味着该系统具有获取更多信息的能力。

b)获取高密度三维点云的能力。激光雷达采用激光回波探测原理，直接获取高密度三维点云的能力是激光雷达区别于传统航空摄影测量的最大特点，高密集的点云数据能够真实反映地形地貌。

c)激光具有较强的穿透能力。激光良好的单向性使之能从狭小的缝隙穿过，到达地表，从而获取地表真实高程，是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的最准技术。

(二)技术优势

(1)数据产品丰富

a)三维激光点云:LiDAR技术直接获取的三维点云数据是生成数字高程模型(DEM)的基础。粗分类的点云可制作DEM，细分类的点云可用于地物识别、采集，建立三维模型等。

b)数字表面模型:数字表面模型真实再现地物和裸地表起伏现状，可应用于生产真正射影像、数字三维模型。

c)正射影像(DOM):利用DEM对数码航空影像像元进行纠正，再做影像镶嵌生成的影像成果。它的信息丰富直观，具有良好的可判读性和可量测性，从中可直接提取自然地理和社会经济信息。

d)数字高程模型(DEM):通过从LiDAR获取的三维点云中提取地面数据即可生成数字高程模型。

e)数字线划图(DIG):利用激光点云和DOM影像可快速生产大比例尺(1∶500至1∶2000)DLG产品，同时节省外业调绘工作量，成图效率大大提高，是全野外人工测图的5%～20%。

(2)自动化程度高

从飞行设计到数据获取，到最终产品的数据处理，自动化程度非常高。通过GPS技术实时显示飞行轨迹。不会发生漏拍的情况，避免人为错误。

(3)信息获取敏感性

LiDAR可以获取小于遥感影像或者雷达影像分辩率的目标信息，可穿透植被覆盖物获得地面点数据。

(4)传感器工作条件

LiDAR测量是采用主动式测量，自行发射和接收激光脉冲，可穿透茂密植被直达地面，不受光照和阴影的限制，获取的数字高程模型更接近真实地表形态，受天气影响较小，还具航空摄影测量的大范围和激光测距的高精度特性，LiDAR技术是大区域高精度数字高程模型数据获取的最佳选择。

(5)生产周期短

LiDAR达系统直接获取地面三维点云的坐标和影像的方位元素，无需或仅需极少量的地面控制点，可以直接进行DEM和DOM的生产，与传统航测立体测图相比，成图工作量是其30%～50%，调绘工作量是其50%左右，可较大幅度地缩短综合工作周期。

三、激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

(一)快速获取数字高程模型

激光点云数据是激光雷达技术中特点相当明显的数据产品，它产生的数据产物密度和精度都比较高，且能快速清晰的显示点位的三维坐标构架。经人工交替操作或自动运行，将人放射到地面植物中或建筑物之类的地形之外目标上的点云统一分类、滤波或清除，之后构建二角网TIN，就能及时得到DEM。因为激光点密度非常大，数目比较繁多，DEM的生成也成为了现实。

(二)实现基础测绘

基础测绘的产品主要有数字高程模型，还包括数字正射影像（DOM）、数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。无论是上述哪种产品的运行，都需要高精度三维信息的协助和引导。数字摄影测量操作起来很复杂，设备的前期准备及技术规划方案都相当严格，要求技术工作人员有熟练的操作水平；在激光雷达技术处理下得到的数据和三维坐标，均能达到高精度影像微分纠正的需要，但是DOM的生产变得越来越简易化，不再依靠数字摄影测量，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。

(三)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，因为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，但是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。

(四)精密工程测量

很对精密工程的测量，就需要进行对测量目标的高精度三维坐标信息进行采集，甚至有的还需要建立比较精准的三维物体模型，例如，电力选线以及隧道和矿山的测量、水文测量以及沉降测量、建筑测量、变形测量等行业。地面以及机载LIDAR都是对这些实际的问题解决的最好的方法。利用数码像片所获取的构筑物模型以及纹理信息进行三维模型的叠加构建，是对景观进行分析、规划决策以及形变测量、物体保护的重要依据。

比如LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，主要就是为了对线路设计以及施工土方量方面方便其精确计算。在对电力线路进行设计中，可以利用LIDAR的成果数据对整个线路设公共区域内的地形以及地物要素情况进行有效的了解。在树木比较密集的地方，可以对树木砍伐的面积以及木材量进行估算。在进行电力抢修以及电线维护时，需要按照电力线路上的LIDAR数据点以及相应的地面裸露点的高程进行对任意一处线路距离地面的高度有效测算。这样在一定程度上非常便于抢修和维护。

(五)进行城市数字化建设

当前，各个行业都开始追求其自身业务的信息化。在数字城市中空间信息作为其基础框架和平台。对于数字城市的构件非常重要。LlDAR系统可以有效的获取高分辨率以及高精度的数字地面模型和数字正射影像，能够为城市提供非常宝贵的空间信息资源，在城市建设中发挥着非常重要的作用。

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。然而对于传统技术，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，同时效果也不是很好，对数字城市服务面的宽度和深度有直接的影响。利用LIDAR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，对点云数据在软件的支持下进行模型构建以及纹理映射，从多个方面地构建大面积的城市三维模型。同时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。

(六)水下地形测量

一些激光雷达技术利用了两种不同波长的激光束对水底进行测量。离去，SHOALS系统在利用红光（或红外光）测量水面的同时，用蓝绿光穿透水面测量水底，通过这两个光束的接收时间差计算水的深度，所以可以进行大面积的水下地形测量。一般情况，海道的测量Lidar所能测量的海水深度为50m，同样，这个深度随着水质的清晰度的不同而发生变化，为航道、近海海洋、水文等行业被广泛应用。

(七)数字矿山的构建

当前矿山以及依附矿山发展的城市遇到了很大的麻烦，环境由于过度的开采直接导致了环境问题的出现，再者过度的开采面临着严峻的资源枯竭，此外还要考虑市场的近期状况，考虑矿山的内部环节以及人、机、料、法、环方面的影响。当前的有效方式就是加强数字矿山的建设，从多方位多角度去看待问题，以达到根治的目的。数字矿山就是通过运用激光雷达技术快速采集整个矿山的数据，与此同时构建三维模型更好的表现其形式，因为每一部分的构成不同，建模时所考虑的侧重点也不同。一般情况下，应分层构建，同时进行多方位的评价，一般情况主要是进行环境、经济型、自然灾害等方面的评价。如此一来，可以实现高效的反馈数据，连续二十四小时不间断的提供数据，对于整体的模型构建的清晰合理，此外可以预测评估未来可能发生的事故，能帮助我们防患于未然。

(八)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。

结语

总之，在我国工程测绘中，激光雷达测绘技术的应用极为广泛，与传统的测绘技术相比，激光雷达测绘技术有较高的准确性及精度，能够对工程测绘的效率有效提升，由于激光雷达测绘技术在我国的应用较晚，在处理数据方面仍不够成熟，因此还应通过深入研究，适当进行改进并完善，促使我国工程测绘得到有效发展。

参考文献

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[3]杨锋.谈工程测绘中GPS测量技术的应用[J].山西建筑.2011(32)