激光雷达测量技术及运用研究分析

刘项楠

山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队 山东 泰安 271000

引言

激光雷达测量技术最初被应用于测距工作中，该项技术具有高角、高分辨率等特征，利用机载系统与定位技术，便可以在较远距离对地表执行高精准度的测量，可以实时获取各类测量参数与地表数据信息。此类搭载式激光雷达测量系统，还可以穿过树木等遮挡物，直接获取地表的三维信息，在实际应用中具有极高价值。

1 激光雷达测量技术简介

1.1 激光雷达测量技术的应用价值

激光雷达，即激光阵列距离扫描仪（Laser Range Scanner），作为一项全新的高科技技术，能有效作用于三维空间目标的实时监测及详细数据测量工作中。如机载或星载系统，配合定位技术、遥感技术，便可完成大范围下高精度的数字化地表模型信息实时获取。整体而言，激光雷达测量技术能量发散较小、测量准度较高，具有极强的抗电磁干扰能力。从这一层面上讲，激光雷达测量技术具有传统摄影测量技术不可取代的优势。另外，地面车载或其他移动系统，可作用于城市道路、隧道或大型建筑等较为复杂的三维空间目标的实时监测以及数字模型化建设。而其他固体小型激光雷达测量系统，可送至各类模具中，能够有效实现模具内的三维测量，并作用于自动化生产线的日常管理工作之中。此类技术还可结合虚拟现实、人工智能等先进科技，建立大范围自然灾害等气候环境方面的三维监测系统。综上，该项技术与传统的距离测量技术有着本质上的差别，此类并无合作目标的激光扫描测量，为空间信息获取途径开辟了崭新的道路，既能有效提高测量的精准度，还能够确保信息获取的及时性。

在实际应用之中，该项技术已经发展至智能交通、城市化建设、工业测量、测绘专业、气象监测、军事等多个领域之中。当前，在科学技术的不断创新、发展之下，许多专业领域的研发公司，在激光雷达测量技术的研究中，投入了大量资金及人力成本，致力于提高激光雷达测量的精准度，由此可见，激光雷达测技术的发展前景极好。

1.2 激光雷达检测技术的各类组成成分

激光雷达测量技术由硬件与软件设备共同组成。硬件设备以速度传感器、微机等为主，而软件设备以数据采集及三维重建模块为主。

传感器中包含激光发射器、旋转机构、反光镜、光电接收装置以及数据采集传输装置。实际应用时，激光雷达上电后，便会由激光发射器向外发散出离散的激光束，随后该激光束会通过旋转机构，呈倒八字形辐射至周边环境中[1]。在激光束前进过程中，如遇障碍物，便会由于光的反射作用被反射至原点。此时，光电接收器便会接收到这类反射信号，并完成该光电信号的数字化处理，这正是激光雷达测量技术中数据处理模块的主要工作内容。

光电接收器接收到的激光束会作为数据采集程序的触发信号，在信号读取、记录、转化后，将其变为所需的数据类型。该模块是激光雷达测量技术中的核心组成部分，可以对采集得来的数据信息进行计算及简单处理，甚至可以对比被测量目标的三维体积信息。数据信息处理结束后，会通过三维显示模块传输至显示屏上，这一模块是激光雷达测量数据结果的输出模块，为激光雷达测量技术得出的各项数据成果，提供了直观的可视化查看场所，能够直接将被测量物体的大小、距离、体积等各项数据或动态变化参数呈现在屏幕之中。

2 激光雷达测量技术要点

2.1 外业数据采集

当前，我国的激光雷达测量技术可分为机载激光扫描技术以及作用于地面的三维激光雷达测绘技术两种。

作用于地面的三维激光雷达测绘技术，以激光扫描器与距离传感器为主要结构，用于获取被测量目标的表层数据。激光扫描测量技术利用微电脑，对输出距离、角度等数据资料做出系统处理，将其与距离传感器测量的数据匹配过后，再获取被测量目标表面的三维空间坐标数据，以此便可以对该目标做出测量、计算，并基于测量数据，建立立体模型。工作人员会基于项目实际需求，了解被测量区域的结构、环境、GPS信号的遮挡情况等重要数据，随后，根据现场情况纠正点布设，以便于工作人员施测[2]。

机载系统激光雷达测量技术，将激光扫描测量系统、INS惯导系统、CCD数字相与DGPS系统相结合，利用激光扫描测量系统，获取被测量目标的地表三维数据信息，随后利用DGPS系统实时定位，实现动态化监督。最后，通过INS系统测定姿态参数，并利用CCD相机取得地面影像。该项技术对扫描测量时，对应用的激光发射器及各类数码设备的要求较高，高精度的设备方能提高测量结果的准确度。在实际应用过程中，为了提高该项技术检测数据的完整度，工作人员需要根据该项目使用的激光扫描仪及数码设备的技术参数指标，计算适宜的飞行高度，确保机载三维激光扫描的数据检测范围，能够完全覆盖被检测目标。布设基站点位时，要求工作人员注意，相邻的GNSS基站间隔不可大于30km，线位起点和终点以及起点终点的地面基站之间距离应小于25km。同时，为避免地面基站在工作时出现故障，现场应建设两个以上的地面基站，方能完成本次测量。最后，为提高测量精度，要求工作人员在被检测目标区域内，加设多个参考面，对激光点云数据做出实时的精度检测及控制，通常参考面间距为6～10km之间。

2.2 激光雷达数据处理

激光雷达测量技术在实际应用时，需要提取地面的激光点。工作人员需要对地面激光点进行精准分类，并使用激光点云生成横断面，通过比较真实地面以及地物之间的高程差、相邻激光点或点集的高程差搭建网络，利用适宜的数据分析、计算规则，便可将混合在同一断面中的地面点与非地面点区别开来，可以有效提取到更加准确的地面激光点[3]。而在这一过程中，激光点云错分或漏分，都会直接影响横断面的生成效果，导致数据精度不足。在测量时，激光点云错分则会导致横断面中夹杂着部分非地面点，致使横断面高程远远高于实际地面位置。而激光点云漏分，则会导致横断面中地面激光点位较少，会导致横断面精细度不足。为了减少在实际工作过程中，激光点错分、漏分现象，施工人员可以使用激光点自动粗分类系统与人工检查相结合的方式，二者共同作用，设计人机交互检查。首先，施工人员可以使用专业的技术软件，完成激光点云中数据信息的自动粗分类，将激光点云数据大体分为地面点与非地面点两种，随后再由人工操作，对各项数据进行二次检验，以此提高地面激光点分类的精细度。

激光雷达测量技术的数据处理时，针对地表植被茂密区域，需要工作人员使用高精度DEM渲染，辅助人工检查技术，进一步提高横断面整体的清晰度。虽然实际上，DEM内插点精度远远低于地面激光点，但是在各类外业实测时，受地理环境、周边建筑等客观因素影响，工作人员难以确定实测地形的内部特征结构，此时使用DEM内插点，可以确保横断面的精细度满足测量要求。高精度的DEM构建，需要工作人员先完成地面激光点数据的精分类处理，并构建不规则三角网，随后，在三角网内插生成DEM[4]。针对部分地表植被茂密区域，地表激光点云的密度较低，不能完整的体现地表状态，便难以完成精细化测量。这时，工作人员便可以利用外业实测中已经得到的中桩点和地表特征线等各项数据生成DEM，便可以大大提高横断面的精细度，确保实际测量结果的准确性、有效性。

2.3 内业数据处理

激光雷达测量技术中的内业数据处理，需要经过轨迹解算、点云处理、靶标纠正三步，最后再针对本次测量工作开展精度评价，确保测量工作中各项数据的精准度满足标准，数据齐全、完整性高，测量过程与结果均符合国家标准。

轨迹解算时，需要工作人员提前完成数据格式的转换以及数据的预处理等工作，随后，将数据信息整合，使用导航解算软件开始解算。解算后，使用软件自带的预估算功能，对本次解算成果进行粗略判断。若结算偏差值超过限额，需要工作人员手动调整数据参数，并再次解算。轨迹解算完成后，将生成WGS84坐标系统的初始点云数据，而点云处理工作，需要工作人员将点云的坐标系统手动转换至目标坐标系中。最后，工作人员需要检测点云的高层平面精度，若精度不足，便需要使用专业的点云后处理软件进行靶标纠正。

3 激光雷达测量技术在各领域的运用分析

3.1 在生活领域中运用激光雷达测量技术

激光雷达测量技术在生活中的运用也十分广泛。比如，现在很多家庭都安装了智能家居设备，这些设备中的很多都采用了激光雷达测量技术。比较有代表性的——智能扫地机器人，利用激光雷达进行地形和空间的建模，以实现自主导航和规划清扫路线。此外，激光雷达测量技术还可以在家庭安全监控系统中进行应用，通过对房间内物体的扫描，实现智能侦测和监控，让家庭更加安全、舒适。此外，激光雷达技术还可用于无人机的导航和遥感测量，从而为生活中的许多领域提供更加精确和高效的数据支持。由此可见，激光雷达测量技术是一项多功能、高精度的测量技术，它已经被广泛应用于我们的生活和工作中。随着科技的不断发展和进步，激光雷达测量技术将为我们的生活和工作带来更多的变革和进步。

3.2 在大气环境监测中运用激光雷达测量技术

大气环境监测中运用激光雷达测量技术，能够检测大气中的各类污染物分布情况。大气污染的主要因素便是空气中存在的气溶胶，工作人员可以使用激光发射器，发出两种不同波长的激光束[5]。其中一束激光束的波长需要调整为待测物体收纳的波段，另一束波长需要调整到吸收系数较小的边翼范围内，随后，将这两种波长的激光束交替发射至大气环境中，便可以通过测量激光束传回的信号，计算出大气中气溶胶物质的分布浓度。另外，激光雷达测量技术也可以应用于气象监测系统中，为气温、风速等气象预测工作，提供更加准确的数据信息。

3.3 在测绘领域中运用激光雷达测量技术

测绘行业中，激光雷达测量技术的运用范围最广，该技术在我国工程测绘领域内发挥出了极大的效果，能够有效完成外业数据采集、内业数据处理等，可以在短时间内获取更加精准完整的测量数据，以辅助工程建设。激光雷达测量技术，能够与GPS定位技术有效结合，及时、快速、准确地获取三维地面信息。在城市道路规划、城市现代化建设、隧道工程施工中，对地表信息做出实时监控，并构建出三维立体模型。机载激光雷达测量技术可以作用于大面积的地形测绘工作中，因此，该项技术还可以作用于城市三维重建及布局项目中，是现当代三维城市建设工作中的主要技术手段，可以有效推进城市的现代化建设进程。

4 结束语

激光雷达测量技术精准度高、及时性强，在现代化社会发展中具有不可替代的作用价值。如今，该项技术已经被广泛应用于各个行业中，但我国对该项技术的研发和应用依然处于起步阶段，距离发达国家仍有一定距离。因此，相关从业人员需加大该技术的研究力度，认真学习该技术的专业知识，并积极探索技术创新方法，确保该技术可以在未来发挥出更多价值。