LiDAR技術在形變測量中的應用

楊茂盛

摘 要：形變測量廣泛應用于社會各個領域，主要是利用精密測量儀器對測區目標進行監測。LiDAR技術由于具有高分辨率數碼影像和快速獲取高精度激光點云等優點，獲得了傳統測量手段所不具備的應用模式。文章介紹了LiDAR技術的優越性及工作原理，并對LiDAR技術在形變測量中的應用進行了探討。

關鍵詞：工程；形變測量；LiDAR技術

中圖分類號：TP2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0145-02

引言

近年來，隨著科學技術和社會的快速發展，形變測量技術已經在各個社會領域中得到了應用。傳統的形變測量模式主要是利用精密測量儀器以單點觀測的方式對測區目標進行測量，這種測量模式觀測勞動強度大、觀測結果反映的是觀測點間的整體運動特征，難以有效捕捉觀測點間的局部細節的運動變形特征。作為新發展起來的一種形變測量技術，LiDAR（Light Detection and Ranging激光探測與測量）技術取代了傳統的單點測量模式，具有高精度、高效率的特點，能夠提供掃描測區目標表面的三維點云數據，已被廣泛用于基礎測繪、城市規劃、交通和環保等領域。該技術在三維空間信息實時獲取方面取得了重大進展，這為高時空分辨率三維空間信息的獲取提供了一種全新技術手段[1-2]。本文通過對LiDAR工作原理和數據處理的闡述，以LiDAR技術在工程測量中的應用為例，表明LiDAR技術在形變測量中相比傳統測量手段更具有技術優勢和發展潛力，因此探討LiDAR技術的應用研究具有重要的理論價值和現實意義。

1 LiDAR原理

LiDAR技術是基于時間可精確記錄技術的前提下，利用激光發射與接收時間計算激光發射點距離測量對象的距離。LiDAR測量獲取的原始數據為包含高程信息、激光回波強度信息的數據點所組成的點云格式，其精度與測量系統距離被測對象之間的距離、地面控制點的測量精度、天氣狀況等相關[3]。LiDAR傳感器如果發射激光束后會迅速傳播到地面或者目標表面，然后再經過表面反射，反射信號將被傳感器感應并記錄存儲為一個電信號。如果精確記錄了發射和接受時刻的時間，那么經過計算可以容易得到接受時刻和發射時刻兩者的差值。激光發射器發射完一束離散的光脈沖后，光脈沖以光速傳播到地表并反射，接收器會在下一個光脈沖發出前收到一個被反射回來的光脈沖，通過記錄紅外線激光反射到目標上的時間來測出兩者之間的距離。具體實現方法有相位法、變頻法和脈沖法，常用的是相位法和脈沖法，脈沖法直接量測脈沖信號來傳播時間，相位法是量測連續波信號的相位差間接確定傳播時間[4]。如果物體的表面處于高低不平形狀，在地面用三維激光掃描儀進行掃描，可獲得反射物體的表面形貌圖，使用機載LiDAR系統，其航測制圖通過軟件處理很容易合并到各種數字圖件中，可以獲取高精度的數字等高圖、DEM和等高線等[5]。

LiDAR系統集成了多種高新技術，采用非接觸式主動測量方式的對地觀測系統。該技術近年來成績斐然，已在三維空間信息的實時獲取和高分辨率地球空間信息獲取方面取得了重大突破，且具有受氣候影響小、自動化程度高、數據生成周期短和數據精度高等特點。隨著LiDAR測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升以及價格的逐步下降，其應用越來越廣泛。按照傳感器搭載平臺的不同，LiDAR系統可以分為星載LiDAR、機載LiDAR、車載LiDAR和地基LiDAR等四種系統。

2 實例應用

以某段高速公路為應用實例，公路屬于平地結合的地形，周邊植物覆蓋率較低。此次根據項目情況選用了機載LiDAR系統。機載LiDAR技術是計算機技術、激光測距技術、高精度動態GPS差分定位技術和高精度動態載體姿態測量技術等多種高新技術快速發展的集中體現，主要用于獲取大范圍高精度的數字地面模型和城市表面模型。該系統主要包括有： 動態差分GPS接收機，用來確定掃描投影中心的空間位置；激光掃描測距系統，用來測量傳感器到地面的有效距離；姿態測量裝置IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量裝置），用來測量掃描裝置主光軸的空間姿態參數；成像裝置，用于產生對應地面的彩色數碼影像數據，用于最終制作正射影像圖件。

機載LiDAR在此次應用中的主要工作步驟有：（1）前期準備工作。主要包括機載LiDAR系統安裝在飛行器上后需要對系統進行相關參數設置和系統檢校和參數設置，還有地面GPS基準站的設置，其中LIDAR數據的精度與航攝高度參數設置有關。（2）LiDAR數據的處理。LiDAR航攝飛行結束后，需首先對飛行數據進行復核，然后在進入數據處理流程。通過對原始數據解碼，POS及激光數據的處理構建數字化立體作業平臺，恢復對高速公路及周邊環境測區的立體模型及進行優化處理。通過DEM數據，正射影像數據，以實測的激光點云數據為基礎建立的三維實體，能從不同角度對既定目標點進行觀測。（3）生產專題地圖。通過對LiDAR數據的處理，最終可以制作高速公路地形圖，平斷面圖和數字等高圖等。應用效果表明，LiDAR技術達到了預期目標，其觀測手段是可行的。

機載LiDAR技術是近十多年來迅速發展并快速走向實用化的一種新型遙感高新技術，LiDAR數據對空間信息提取便利的同時，其掃描帶中的數據分布不均勻及LiDAR數據存在空隙、噪聲等問題，也對實際應用提出了挑戰[6]，包括數據的處理速度等都提出可更高的要求。

3 結束語

實踐表明，LiDAR技術將觀測方式由傳統的單點數據獲取改成面或者體的數據的獲取，提高了觀測的速度和精度，能快速地獲取測區精確的三維坐標及數字高程模型，更有效地精細鋪捉測區地物局部變化特征，同時配合正射影像增強了對測區特征的認知識別能力，提高了工作效率，減少了勞動強度，節省了人力資源，這些優勢使得LiDAR技術在形變測量領域具有廣闊的應用需求和發展前景。

參考文獻：

[1]蘇建鋒，張東濤.天津某深基坑現場監測實例分析[J].施工技術，2015（S2）：128-130.

[2]陳富強.機載LIDAR技術的優勢及應用前景研究[J].北京測繪，2013（02）：12-14.

[3]周學文.LIDAR技術在電力線路工程中的應用[J].測繪科學，2010（05）：83-85.

[4]靳克強，龔志輝，湯志強，等.機載LiDAR技術原理及其幾點應用分析[J].測繪與空間地理信息，2011（01）：144-146.

[5]任治坤，陳濤，張會平，等.LiDAR技術在活動構造研究中的應用[J].地質學報，2014（06）：1196-1207.

[6]蘇建鋒，薄萬舉.高噪聲背景下GNSS垂向分量應用探討[J].地震，2016（01）：105-116.endprint