水利工程测绘中激光雷达技术应用研究

殷圣云

（广西桂禹工程咨询有限公司，广西 南宁 530023）

0 引言

21 世纪的社会进步与发展，属于科技创新与发展的时代。现代化社会的进步，得益于科学技术的推动与演化。尤其当前社会经济快速发展背景下，科学技术创新水平不断提升，大大刺激了社会经济的快速发展，提升了广大基层群众生活水平。在水利工程测绘行业中，建立在计算机技术及信息技术基础上，新型测绘技术不断创新与发展，全面提升了水利工程测绘水平和效益，促使水利工程测绘企业，获得更多经济效益和社会效益。新型测绘技术形态中，尤其以激光雷达测绘技术尤为突出。激光雷达技术通过发射和反馈激光信号，可以大大提高水利工程测绘数据信息精准性。本文旨在剖析激光雷达技术应用问题，仅供参考。

1 激光雷达测绘技术内涵

激光雷达测绘技术，是新时期随着工程测绘技术的发展，逐渐创新出现的新型测绘技术形态。激光雷达测绘技术就是将激光雷达技术与工程测绘技术相互结合，使得激光雷达为工程测绘服务。激光雷达的工作光束是激光，而激光的产生是由激发发射机射出的。现代化的激光雷达，主要是由信息处理系统、光学接收机以及激光发射机等三大核心设备组成。激光雷达测绘技术应用时，会通过激光器实现对电脉冲向光脉冲的转化。待转化完成以后，再由激光发射机对光脉冲进行直接发射。而当光脉冲发射回来的时候，再由激光器对其进行还原，直接还原为电脉冲。然后将所获得的水利工程测绘信息，直接反馈到显示器上[1]。激光雷达测绘仪器设备组成如图1 所示。

图1 激光雷达测绘仪器设备组成

激光雷达测绘技术可以实现对测绘目标的精准化定位，而且还可以在实际测绘中，将水利工程距离和角度进行精准化测量。也正是因为如此，可以看出激光雷达测绘技术的巨大应用优势。激光雷达测绘技术，直接应用于水利工程测绘中，是工程测绘领域的重大突破性进展，大大提高了水利工程测绘水平和效率，提高了水利工程测绘精准度。同时，也使得水利工程测绘更加简洁和简单。激光雷达测绘技术，在计算机技术与信息技术加持下，可以构建成为完整的数字模型系统，将所有的数据信息直接纳入数字模型系统中，对于后期水利工程建设以及水利工程测绘，是十分有利且十分必要的[2]。

2 激光雷达测绘技术优势与特点

激光雷达测绘技术主要是通过发射和反馈信号激光源，而更好的应用到工程测绘中来的。与传统的其他水利工程测绘技术相比，激光雷达测绘技术，有着极为明显的优势和特色。首先，激光雷达测绘技术，观测速率提升。在日常的测绘工程测绘实践中，激光雷达测绘技术应用，使得自动化技术得以提升，加上其他电子技术和软件技术融合，使得激光雷达工程测绘，摆脱了大量人力、物力、财力的投入，使得激光雷达测绘操作过程中，测绘观测速率得以极大程序化提升。其次，激光雷达测绘技术，精准度更高。在其他定位系统支持下，激光雷达测绘技术观测范围逐渐扩大[3]。比如，定位测距在200~800m 的工程项目，激光雷达测绘技术都可以精准化进行测量。而且在自动化技术加持下，激光雷达测绘技术应用中，可以将数据信息误差控制在1mm 以内。与传统测绘技术误差1cm 左右相比，激光雷达测绘技术精准度整整提升了10 倍左右。最后，激光雷达测绘技术，操作极为简单。激光雷达测绘技术，是建立在激光光束基础之上，且具有自动化技术特色。激光雷达测绘技术在实际应用中，与其他测绘技术相互融合，使得其操作流程和操作规范，都更加简单和明了。与传统型的测绘技术相比，激光雷达测绘技术，应用范围和应用领域更加广泛，且操作极为容易和简单简洁[4]。

3 激光雷达测绘关键性技术类型

3.1 空间扫描技术

激光雷达测绘中的空间扫描技术，不仅包括扫描体制，而且还包括非扫描体制。从目前各地区激光雷达测绘技术应用实践来看，我国大多数采用的是扫描体制。尤其是以机械式扫描更为突出。机械式扫描的频次和频率要高，而且利用不同的机械结构类型，可以获得不同类型的扫描图样。与扫描体制相比，非扫描体制属于二元光学新兴分支，从目前来看实践应用极为不明显，无论是扫描角度还是扫描透过率，都是比较低的。所以，非扫描体制从水利工程测绘中应用较少。

3.2 终端信息处理技术

终端信息处理技术，属于激光雷达测绘的重要技术组成。该处理系统不仅要解决扫描机、激光器以及各个信号处理器电路的关系，而且还需要协调接收机信息发送，包括目标距离信息获取，都属于终端信息系统处理范围。与此同时，终端信息处理技术，还需要完成信息的录取，包括对三维图像数据的采集等。目前终端信息处理技术，主要采取的是计算机系统以及大规模集成电路组合。在FPGA 技术加持下，可以实现测距单元的精准化测量，在水利工程测绘中应用广泛[5]。

3.3 激光发射技术

激光雷达测绘技术应用中，绝对离不开激光发射技术。激光发射中常用到的设备，是激光雷达发射机。激光雷达发射机所选用的光源，是由气体激光器以及半导体激光器组成的。举例来讲，半导体激光器属于小型化激光器，该激光器工作物质极多，往往多达几十种。目前比较常见的激光方式，主要有高能电子束、电注入束、电泵束等。无论哪种类型的半导体激光束，都有着极大的应用优势。例如，光束量子效率高、重量轻、体积小、稳定性强，而且所输出的光束质地极好。除了半导体激光器以外，气体激光器也是应用极为广泛、种类众多且输出光波最丰富的激光器类型。与半导体激光器相比，气体激光器输出的波长范围更广，而且气体光学性效果更好，输出的光束质地均匀，而且光束的稳定性极好[6]。

3.4 地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术

激光雷达测绘技术，能够实现空间三维坐标同步，快速准确获取，根据实时摄影数码快照，通过计算机系统构建来实现大型实体或场景目标3D 数据模型的高科技技术。它的特点就是能够客观真实的再现事物的实时且真实的形态特征，从而快速获取测量目的所需的相关空间信息。激光雷达技术根据载体的差异可分为地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。首先，地面三维激光扫描技术，其载体即地面，它主要结合了激光扫描仪、数码相机和GPS，从地面的角度对目标物进行扫描成像，目的在于获取激光反射回波数据和目标表面影像，并通过软件的三维数字模型重构加强成像纹理的精确化贴加。其次，地面三维激光扫描系统，可以加载在地面，也可以搭载在移动中的地上设施上，这样能够更好进行连续的二维场景，以及目标形态的空间数据采集工作开展。机载激光雷达测绘技术作业如图2 所示。

图2 机载激光雷达测绘技术作业

4 水利工程测绘中激光雷达技术的具体应用

4.1 采集数据

在水利工程测绘工作中，对于激光雷达技术的应用，要将数据和信息的采集放在首位。要始终根据事先设计好的系统参数，进行激光雷达测绘应用。对于每一次完成的数据信息采集，要同步进行激光雷达系统检查，保证数据信息采集的完整性和精准性。对锁定区域内相关数据信息的采集，要对影响数据、激光测距数据、地面GPS 基站以及机载POS 数据等进行适当的调整。举例来讲，如果利用激光雷达技术进行多次水利工程测绘数据采集，要对信息数据进行平均化处理。

4.2 数据处理

在水利工程测绘工作中，激光雷达技术对于相关数据信息的处理，首先要进行数据信息预处理。激光雷达技术应用，往往会受到GPS 外观测条件及系统残余误差的影响，使得各航道之间的激光点，出现拼接误差的问题。激光雷达技术实践性应用，可以开展航带间的匹配性工作，如有需要可以采取航带重叠多余条件并加以利用。其次，激光雷达技术应用，还要进行激光点云类别细化。可以对水利工程地表覆盖类型进行直观性的反映。考虑到激光多回波容易穿透的特点，可以采取植被密集区激光雷达系统进行应用，能够实现对水利工程原始地貌的精准化信息采集。最后，激光雷达技术应用时，还需要注重坐标的转换。激光雷达技术在水利工程测绘中的应用，往往采取WGS84 坐标系统，可以实现完整坐标的相互转换[7]。如有需要还可以实现从系统坐标到用户坐标的转换。对于激光雷达技术中的高程坐标系统，则需要借助系统特定量和分布高程点作用，作为高程坐标系统转化的依据。如果高程坐标系统转化出现异常，则需要结合激光数据信息验证，使得高程坐标系统，可以实现精准化和快速化转化。

4.3 保证激光点云平面高程精准度

激光雷达技术应用于水利工程测绘中，既要保证好平面数据信息精准度，也要保证好高程信息数据精准度。①平面精准度提升。激光雷达技术应用，要将平面检查点直接分布于检测区内部，通过对水利工程侧面激光点进行信息提取，实现对云向水平面投影的快速化处理，从而获得激光雷达测量中平面检查点数据。一般而言，激光雷达技术应用中，平面检查点有效数量保持在24 个以内即可。但是要保证激光点平面精准程度，与设备标称平面精度的要求相吻合[8]。②高程精准度提升。在检验激光点云高程精准度过程中，一般会选择使用经过分类以后的激光点云数据，并构建地面模型，和实际测量高程点展开对比与误差统计。在统计误差的过程中，可以将激光点细化成，硬质裸露地面高程检查点与普通山地高程检查点两种。一般而言，高程检查点往往要分布于平缓地面位置。对于检查点实际测量中的精准数据需求，要与激光数据处于同一坐标系统中。

4.4 应用于水下地形测量工作

激光雷达技术的广泛性应用，具有极为明显的优势。尤其对一些水利工程隐藏勘察项目中，激光雷达技术同样有着极为有效的工作效果。例如，将激光雷达技术应用，直接用于水下地形测量工作中，可以实现对水下地形的精准化监测。在进行地下水位地形测量时，激光雷达技术，主要是依靠两种不同波长的激光束进行测量，可以使得地下水位及地形特点，真实化和形象化的展示出来。激光雷达技术应用中，可以进行大面积的水下测量工作开展，甚至在水利工程河道测量中，也可以获得良好的测量效果。根据之前激光雷达技术应用经验，激光束测量深度最深可以达到50 多米，而且本质上的测量效果，还会受到河道水质的影响。比如，当河道水质较为清晰的时候，测量数据精准度高些；而水质不好的时候，则测量数据精准度会低些。但无论如何，激光雷达技术应用，在水下地形测量工作中，都可以取得良好的测量结果，可以为水利工程测绘工作的开展提供帮助。

5 结语

综上所述，现代化科学技术的创新与发展，大大提升了水利工程测绘水平和效益。在计算机技术、互联网技术及人工智能技术加持下，激光雷达测绘技术得到广泛性应用。激光雷达测绘技术，具有非常多的优点，将其应用到水利工程测绘工作中，可以有效提高测绘效率以及测绘质量，从而获得比较准确的测量数据，保障水利工程建设品质和效益提升。现代化测绘工程建设背景下，激光雷达技术应用，会伴随着新型科学技术演变，不断得到技术成熟完善，而且会越来越多应用到各行各业中。探讨新时期水利工程测绘中，激光雷达技术应用事项，拓宽激光雷达技术应用领域，将会大大刺激我国工程测绘行业的健康和可持续性发展。