激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用探討

任曉娜 李彥睿

摘要：隨著工程測繪要求的不斷提高，一些傳統的測繪技術很難達到發展的要求。近年來，越來越多的高科技新技術不斷應用于工程測繪中。激光雷達測繪技術作為一種新型的測繪技術，逐漸發展成熟，并在工程測繪中成功應用。 本文對激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用進行了探討。首先分析了激光雷達測繪中的激光發射機、空間掃描、終端信息處理等關鍵技術，介紹了國內外典型的激光雷達測量系統。針對激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用，分別闡述了其在基層測繪、精密工程、數字礦山、電力工程、森林工業、數字城市中的應用情況。

關鍵詞：激光雷達；測繪技術；工程測繪

1.激光發射機技術

現在，激光雷達發射機選擇的光源主要是氣體激光器和半導體泵浦固體激光器等。半導體激光器是一種小型化的激光器，工作物質幾十種。主要激勵方式有電泵式、電注入式和高能電子束。大部分是電注入激勵。通過多年來研究，其得到了很大的發展。波長覆蓋范圍越來越大，各項的性能參數和輸出功率也得到不斷提高，應用在某些重要領域。半導體泵浦固體激光器優點是量子效率高，重量輕、體積小、穩定可靠、工作壽命長，輸出的光束質量好，已經可以解決工程的應用問題，是發展最快、前景最好的激光器。目前氣體激光器是一種種類最多，應用最廣、輸出的激光波長最豐富的激光器。優點是輸出波長的范圍很寬，氣體光學均勻性好，輸出光束質量較好，穩定性好等。

2國內外目前典型激光雷達測量系統

由于科學技術的不斷進步，國內外的典型激光雷達主要表現在：火控激光雷達方面是激光雷達在火控的系統中同微波雷達和紅外系統的復合，它具有精度高，抗干擾的能力，適用于對超低空目標、艦載系統等火控系統。還有遠程精密跟蹤測量雷達，是美國海軍空間同司令部和彈道導彈的組織下，美國麻省理工學院實驗室研制的“火池”激光雷達，是一種大功率、寬帶、成像和測量距離的雷達，可以識別真假目標和多彈頭。還有測風激光雷達。20世紀90年代以來，隨著半導體二極管激光器的發展，解決了激光雷達的實用性。

3激光雷達測繪技術在工程測繪中的應用

3.1精密工程的測量

很多精密工程的測量，都涉及到測量目標的采集，并獲得三維坐標信息或者三維物體模型，例如在水文測量、建筑測量、沉降測量、電力選線、文物考古、變形測量等行業中。地面激光雷達和機載激光雷達就是解決這類問題的有效方法。利用數碼相片獲得紋理信息，并與構筑物模型實現疊加，以構建三維模型，可有效實現對景觀的規劃分析、物體保護、形變測量、規劃決策等。例如激光雷達技術在鐵路設計、公路設計中提供的高精度地面高程模型，可便于線路的設計與施工方法精確計算。在電力線路設計過程中，利用激光雷達技術的成果數據可以對整個線路有所了解，包括公共區域內的地物、地形等要素；在電路線維護或搶修時，根據電力線路中的激光雷達數據點，以及對應地面裸露點的高程，計算出任意位置線路距離地面的高度，方便維護與搶修；另外，在樹木的密集區內，也可利用激光雷達估算出需要砍伐樹木的面積與木材量。

3.2基礎測繪

基礎測繪，是對工程測繪過程中的基本要求和基本目的的實現，一般來說，由于工程測繪是一種對待測物體的基本信息的搜集和整理的過程。所以在基礎測繪的階段，應該實現對數字影像的基本反映和切割，并在此基礎上進行初步的測繪地圖的形成。對于測繪工程來說，數字攝影和測量的工作是非常繁瑣和重要的，所以要求實現對其基本線路和程序的嚴格設計和規劃，經檢驗激光雷達技術可以根據數字三維坐標的方式實現地面三維坐標的定位。而機載激光雷達技術所提供的地面三維坐標，則可以滿足高精度影像微分糾正的要求，讓數字正射影像生產更加容易，并不需要數字攝影測量平臺，極大降低成本，在一般遙感圖像處理系統中就可以實現規模化生產。另外，高精度的激光點云數據，可直觀反映地物、植被等三維信息，充分利用這些資源，實現更加精準的判讀與測量，提高數據的采集效率與質量。

3.3數字礦山的構建

數字礦山的建立既滿足環境友好型、經濟節約型社會需要。也對促進礦山可持續發展具有重要作用。近年來，我國礦業及礦業城市遇到了生存與發展的困境，而礦山生態環境、資源枯竭等問題嚴重，礦山系統內的功能受到局限，礦山的人力、物力、財力都有所影響。若想解決這些問題，必須加強對數字礦山的重視。利用激光雷達數據濾波迅速提取礦區內的相關數據，建立起三維虛擬地面模型，并確定建筑物的合理區域，提取建筑物的頂面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分層組合建模、匹配融合等，實現塌陷區的生態環境與經濟評價，對由于沉陷造成的土地侵蝕與裂縫進行分析，調查沉陷區的建筑物破壞情況，以及檢測滑坡地質災害等。

3.4電力傳輸與管道布圖

在直升機平臺上工作的激光雷達系統，最適用于測量傳輸線路。由于直升機可以沿著電力線或者管道傳輸的走廊飛行，比固定翼飛機節約成本，并且直升機可以隨時根據需要調整高度和速度，以獲得更為精準的數據。如果在激光雷達應用平臺中同時使用錄像機、數字相機及其他傳感設備，既可實現激光雷達測量，也可同步進行線路檢查及制圖工作。

3.6數字城市建設的應用

數字城市是21世紀以來，很多地方正在力爭構建的信息化目標。空間信息作為數字城市的基礎框架和平臺，是構建數字城市的重要研究課題。激光雷達測繪系統可以獲取高分辨率、高精度的數字地面模型和數字正射影像，提供了構建數字城市最寶貴的空間信息資源，因此是數字城市建設的重要技術力量。數字城市，還需要構建高精度、真三維、可量測，具有真實感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺。但是采用傳統技術，進行城市三維建模是精雕細琢的工藝，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影響了數字城市服務面的寬度和深度。利用激光雷達測繪技術對地面建筑物進行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標高密度高精度的三維點坐標，在軟件支持下對點云數據進行模型構建和紋理映射，多方面地構建大面積的城市三維模型。并可以實施快速動態史新，為數字城市建設基礎數據源的持續性、歷史性提供了確實的保障。

4結束語

由上可見，激光雷達測繪技術將成為未來工程測繪的發展方向，具備更多的優勢。通過激光雷達測繪技術與其他測量技術的配合使用，將提高工程測繪的效率與質量。但是目前我國在激光雷達的數據處理方面技術尚不成熟，仍需進一步深入研究。

參考文獻：

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