激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用探讨

任晓娜 李彦睿

摘要：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。 本文对激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用进行了探讨。首先分析了激光雷达测绘中的激光发射机、空间扫描、终端信息处理等关键技术，介绍了国内外典型的激光雷达测量系统。针对激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用，分别阐述了其在基层测绘、精密工程、数字矿山、电力工程、森林工业、数字城市中的应用情况。

关键词：激光雷达；测绘技术；工程测绘

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高，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，输出的光束质量好，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。

3激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

3.1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。

3.2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，所以要求实現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。

3.3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。

3.4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。

3.6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。

4结束语

由上可见，激光雷达测绘技术将成为未来工程测绘的发展方向，具备更多的优势。通过激光雷达测绘技术与其他测量技术的配合使用，将提高工程测绘的效率与质量。但是目前我国在激光雷达的数据处理方面技术尚不成熟，仍需进一步深入研究。

参考文献：

[1]朱筱茵.基于激光雷达的数字化精密测量技术研究[J].长春理工大学：光学工程，2010.

[2]郑永超，赵铭军，张文平，赵春生，沈严.激光雷达技术及其发展动向[J].红外与激光工程，2006（3）.