基于LIDAR技术的三维地图建模方法研究

陈华宏

摘要：在这个科技飞速发展的时代，使用传统的城市建模方法已经跟不上这个充满大数据时代的脚步，近年来三维地图建筑方法称为其领域上的一个研究热点，采用三维的方式进行城市建模可以让人们直观的去进行感受，通过LIDAR技术来对三维地图建模进行更加深入的研究。

关键词：LIDAR技术;三维地图建模;城市数据

中图分类号：P208   文献标识码：A   文章编号：1672-9129（2020）04-0027-01

Abstract：in this era of rapid development of science and technology， the use of traditional urban modeling method has already can't keep up with the pace of the era of large data， this is in recent years， three-dimensional map building method known as a research hotspot of the field， with the method of 3 d city modeling can make feelings， to let people intuitively by LIDAR technology for modeling 3 d map for more in-depth research.

Key words：LIDAR technology;3d map modeling;The city data

1 引言

一个全新的的概念“数字地球”在20世纪80年代被提出，自此以后许多相似的概念也就相继被提出，随着我国经济水平的不断提高，城市的发展也有了一个新的突破，目前城市作为我们的主要生活和活动区域，城市的经济、政治以及文化等方面都能突出这个国家的经济文化方面的建设。由于“数字地球”的出现，“数字城市”与我们的生活有着紧密联系。为了给当代人们更好的生活体验，基于LIDAR技术的三维地图建模方法来进行研究，更加完善城市的信息化和提高城市的建设水平。

2 LIDAR技术

2.1 LIDAR技术的含义。LIDAR（激光雷达）是一种将激光、全球定位系统和惯性导航系统三种技术集于一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM（一定范围内规则格网点的平面坐标及其高程的数据集，其主要是描述区域地貌形态的空间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集，然后进行数据内插而形成的）。这三种技术的结合，可以高度准确地去定位激光束打在物体上的光斑。它又分为两种系统，一个是目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型（DEM）的地形LIDAR系统，另一个是已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统共同的特点都是利用激光来进行探测和测量。

激光雷达是“光探测和测距”的简称，早先将其称为光雷达，因为那时使用的光源均为非激光。自激光器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光器作光源，名称也就统称为激光雷达了。

LIDAR可以分为机载和地面这两类，其中机载激光雷达是一种安装在飞机上的机载激光探测和测距系统，可以量测地面物体的三维坐标。机载LIDAR是一种主动式对地观测系统，是九十年代初首先由西方国家发展起来并投入商业化应用的一门新兴技术。它将激光测距技术、计算机技术、惯性测量单元（IMU） /DGPS差分定位技术集于一体，该技术在三维空间信息的实时获取方面有着重大的突破，为获取高时空分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段。它具有自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、精度高等特点。机载LIDAR传感器发射的激光脉冲能部分地穿透树林遮挡，直接获取高精度三维地表地形数据。机载LIDAR数据经过相关软件数据处理后，可以生成高精度的数字地面模型DTM、等高线图，具有传统摄影测量和地面常规测量技术无法取代的优越性。机载激光雷达技术的商业化应用，使航测制图如生成DEM、等高线和地物要素的自动提取更加便捷，其地面数据通过软件处理很容易合并到各种数字图中。

2.2 LIDAR技术的过程。激光雷达进行测量的基本作用过程就是作为光源的激光器发出特定的波长光束，射向目标，该波长的光同目标相互作用之后，有一部分光与发射光束相反的方向反射回接收装置，經探测后就可获得目标的有关信息。

2.3 LIDAR技术的特点及原理。LIDAR技术的特点就是利用激光进行探测和测量。激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与目标的距离，这就是激光雷达能测距的原理。

3 三维地图建模

3.1三维地图建模的含义。三维地图模型是在以二维地理信息为基础制作出的一种三维模型，经过程序开发，已发展成为三维地理信息系统，可以利用此系统进行分析城市的自然要素和建设要素，用户通过交互操作，得到一种真实、直观的虚拟城市环境感受。其研究的核心内容都是要以数字化的形式再现三维空间世界以及在三维空间中的应用模拟，满足各个应用领域的需要。对城市地形、地物实现数字化三维模拟，可以提供一个与真实生活环境类似的虚拟城市环境，"建筑的形态、高度、空间尺度等一目了然，很直观"，为城市规划、建设与运营决策等提供三维信息服务，这样就比传统的城市建模更加的便捷和准确。

3.2三维地图建模的意义。传统的三维地图建模的主要数据来源于高分辨率遥感卫星影像、二维调绘地图数据等，这是一项重大的工程，需要巨大的资金支持、繁复的技术以及大量的人力资源，而技术的水平高低直接影像着城市建模的最终效果以及完成进度，关键是受到影响因素具有不可控性，实际运用起来有着很大的局限性。

在LIDAR技术上的三维地图建模已经运用到各种不同的领域，用于城市的规划、旅游、城市管理、城市环境动态变化研究等，对于城市规划，三维地图建模可以对城市的未来形态规划进行预演，消失的城市形态也可以重新模拟出来，并且可以根据规划成果随时进行修改，从而获得城市规划方案调整的科学依据，使得城市规划更具有前瞻性。由此可以看出，三维地图建模对于城市各方面的发展都有着重要的意义。对于城市管理，三维地图建模技术可以完成城市灾害事件和突发事件的动态模拟，实现城市各种信息的可视化查询，为政府对城市管理工作提供服务。

4 小结

基于LIDAR技术的三维地图建模的方法，可以有效的提升模型的精确度，降低生产成本，而且可以给人以直观的感受，增强人们的体验感，较好地弥补了传统城市建模方法的不足之处。由于这个大数据时代，数据方面会越来越完善，在三维地图建模的过程中提供的数据也更加精准，速度也越来越快，并且会运用到更加广泛的领域上，有着广阔的发展前景和应用需求。

参考文献：

[1]杜金莲，徐硕，赵枫朝.基于二维数字地图的三维城市建模方法研究[J].系统仿真学报，2018，30（10）：3710-3716.

[2]王珏璠，王海鹰，焦学军.基于Unity3D的三维虚拟地理教学系统初探[J].测绘与空间地理信息，2020，43（3）：26-30，33.