激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)的分析

陳誠方，王曉磊

（杭州通泰測繪有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)在實(shí)際工程測繪工作中，可在整個檢測過程中以高度的準(zhǔn)確性與有效性不斷提升測繪工程檢測效率，并解決一些緊急事件?？傊诩す饫走_(dá)地形測繪遙感技術(shù)的應(yīng)用中，可以大大提高基礎(chǔ)測繪保障水平，推動基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新速度，深入推進(jìn)智慧工程發(fā)展效用。

1 激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)概述

1.1 激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)介紹

（1）關(guān)于激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)的基本構(gòu)成及其在地面測量中的作用。其中，包括激光發(fā)射、信號探測、物質(zhì)掃描和信號加工等。這些技術(shù)與綜合雷達(dá)技術(shù)相融合，為實(shí)現(xiàn)高精度的地形圖提供了有利的環(huán)境。

（2）激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)在進(jìn)行實(shí)際測量時，所面臨的問題如下：如何提高測量技術(shù)水平，節(jié)約相應(yīng)能源，推動測量工作快速發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，雷達(dá)發(fā)射器的質(zhì)量、尺寸都要比空間分辨率更高，能檢測到較弱的信號，這在某種程度上是節(jié)約了激光器的發(fā)射頻率。

（3）激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)它是采集數(shù)據(jù)的一種方法，在進(jìn)行測量時，要根據(jù)探測到的目標(biāo)，利用所產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)，判斷出對應(yīng)的地貌特性，實(shí)現(xiàn)地圖繪制，其中影像的加工技術(shù)直接關(guān)系到最后資料和影像的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行測量時，測量的參數(shù)越精確，測量方法就會變得更加精確。

目前，該技術(shù)被廣泛用于實(shí)際的質(zhì)量安全檢測工序中，其優(yōu)勢顯著，不僅降低了人力、物力成本，還減少了環(huán)境污染，節(jié)省了大量的時間，并提高了作業(yè)安全性。

1.2 激光雷達(dá)回波

激光雷達(dá)回波需按照自身反射機(jī)制，運(yùn)用發(fā)射的激光脈沖使其與物體產(chǎn)生反射，其物體包括植被與建筑物等，一束激光脈沖可以回到一個或更多的回波傳感器中，任何一束激光在到達(dá)地面時，若碰到多個反射面，即分解為相同數(shù)量的反射面。第一個返回的激光脈沖為雷達(dá)回波的關(guān)鍵，會和地面上的最高元素聯(lián)系起來，例如樹冠或者大樓的頂端，第一個回波也可以代表一個地面，此時的激光雷達(dá)只能探測到一個回波，多個回波可以探測到多個物體在外照射的激光脈沖的激光交叉處的高度。中間回波一般與植物構(gòu)造相對應(yīng)，最后的反射則與裸露的地面特雷恩模式相一致，其回波并不一定需要從地面發(fā)射。

1.3 激光雷達(dá)點(diǎn)屬性

基于激光雷達(dá)點(diǎn)屬性其信息被儲存在每個x，y，z的位置，其中包括強(qiáng)度，回波號碼，回波數(shù)目等等。下文提出了具體的內(nèi)容。

（1）激光雷達(dá)屬性。一次發(fā)射的激光脈沖能產(chǎn)生五次以上的回波，這依賴于激光脈沖的反射成分和用于收集資料的激光掃描器的作用。第一個回聲將被標(biāo)注為1，以此類推。

（2）回波數(shù)?；夭〝?shù)目是指，針對特定脈沖所產(chǎn)生數(shù)量。例如，一個激光數(shù)據(jù)點(diǎn)可以是五個回波數(shù)目的第二個。

（3）點(diǎn)分類。每一個激光雷達(dá)點(diǎn)都可以定義被反射的目標(biāo)的種類。雷達(dá)點(diǎn)可分為地面、地表面以及冠層頂部、水面。在LAS 檔案中使用數(shù)字整型程式碼來定義不同的類別。

（4）飛行路線的邊界，以0 或1 為基礎(chǔ)，以1-1 為符號。在飛行路線的邊沿上標(biāo)注的點(diǎn)會被指定為1，其余的點(diǎn)會被指定為0。

（5）RGB。RGB（紅色、綠色和藍(lán)色）頻帶可以被用作激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的屬性。這個特性一般是從激光雷達(dá)測量中獲取的圖像。

（6）GPS 時間。GPS 時間標(biāo)記用于從飛機(jī)上發(fā)射的激光。該時間用GPS 一星期的秒數(shù)來表達(dá)。

（7）掃描角度。掃描角度為-90°~+90°。在0°時，激光脈沖正好處于飛行器的底部。在-90°時，激光脈沖位于機(jī)身的左邊；在+90°時，激光脈沖位于機(jī)身的右側(cè)，與飛行方向一致。目前大部分的激光雷達(dá)系統(tǒng)在±30°以下。

（8）掃描方向，在激光脈沖向外輻射時，掃描反射鏡的運(yùn)動方向。1 表示正向掃描；0 的數(shù)值表示負(fù)向的掃描。正代表掃描器從軌道的左邊向右邊運(yùn)動，而負(fù)的數(shù)值則是反向運(yùn)動。

1.4 點(diǎn)云

點(diǎn)云是對激光雷達(dá)進(jìn)行了空間組織后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最初的點(diǎn)云是一個龐大的三維高度點(diǎn)，它包含了其他屬性，如x 值、y 值、z 值以及GPS 時間標(biāo)記。最初的雷達(dá)點(diǎn)云經(jīng)后處理，可以將激光碰到的具體表面元素歸類。其中包括地面，建筑物以及任何在測量時所接觸到的目標(biāo)等都可形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。

1.5 激光雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

激光雷達(dá)強(qiáng)度是按照其反映指標(biāo)，明確回波強(qiáng)度以及各個點(diǎn)收集類型后所測量的指數(shù)。這個數(shù)值是根據(jù)被激光雷達(dá)脈沖掃描物體的反射系數(shù)而產(chǎn)生，其反射屬于波長函數(shù)，一般為近紅外波段。回波強(qiáng)度取決于被反射的物體的成分可以利用強(qiáng)度來協(xié)助元素探測和抽取，并對激光雷達(dá)點(diǎn)分類進(jìn)行分析，也可以作為航空圖像的替代品。由于強(qiáng)度是相對的，而非定量的，所以在同一目標(biāo)上，不同的飛行高度和高度都無法獲得同樣的數(shù)值。例如，若基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)中包括強(qiáng)度值，為此可利用此類強(qiáng)度繪制出黑白圖像[2]。

1.6 激光雷達(dá)與雷達(dá)的區(qū)別

激光雷達(dá)與雷達(dá)的區(qū)別就和名字一樣簡單易懂，激光雷達(dá)即為，發(fā)射激光的雷達(dá)。在原理上基本類似，只是激光雷達(dá)發(fā)射的是一條直線的光束，而雷達(dá)發(fā)射出去的是一個錐狀的電磁波波束、按照用途，我們可以把激光傳感器分為兩類，即避障級和高精度測繪級，通過對比可以發(fā)現(xiàn)在一些關(guān)鍵參數(shù)上，如角分辨率、視場角、測量距離、測量速率、測量精度、多次回波技術(shù)、多周期回波技術(shù)等，這兩類激光傳感器有較大差別。

測繪激光雷達(dá)是將激光傳感器、GNSS、IMU 和相機(jī)集成在一起的一個系統(tǒng)，通過各個傳感器的參數(shù)標(biāo)定，可以精確計算出傳感器之間的位置偏差，以及不同坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換所用到的旋轉(zhuǎn)角，從而將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)。在使用激光雷達(dá)做測繪時，一般可以采用汽車、無人機(jī)、有人機(jī)等移動平臺作為載體，將移動中的激光原始數(shù)據(jù)、GNSS 數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)，后期通過Postˉprocessing 模式的后處理得到厘米級精度POS 數(shù)據(jù)，基于POS 和原始激光數(shù)據(jù)生成我們常?？吹降募す恻c(diǎn)云成果[3]。

2 激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)特征與優(yōu)勢分析

2.1 使用廣泛

激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)是一項非常重要的技術(shù)，該技術(shù)掃描速度非常的快，可以極大地提高測量的效率，而且還可以在較短的時間內(nèi)，利用各種方法來獲取更多的信息。尤其是在很困難的情況下，該技術(shù)也能夠準(zhǔn)確地把握物體的狀況，既節(jié)約了大量的人力，又為深入的研究對象提供了良好的數(shù)據(jù)資料。

例如，測距，測量距離與激光發(fā)射頻率、地面實(shí)際反射率、最大探測距離、最大反射率、最大反射率約為ρ≥60%（部分甚至ρ≤90%），而測量距離則與激光發(fā)射頻率成反比，發(fā)射頻率愈高，則測量距離愈短。

又如，測定速率，通常用最大的激光脈沖發(fā)射頻率表示，如RIEGL 的VUXˉ1UAV，其最大激光發(fā)射頻率為50000 點(diǎn)/s，而微型VUXˉ1UAV 為100000 點(diǎn)/s。

2.2 動態(tài)捕捉

激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)通過其相關(guān)程序進(jìn)行設(shè)計，可在一定程度上針對關(guān)鍵測繪地域進(jìn)行重復(fù)性檢測，經(jīng)過多次的測試，將這些信息進(jìn)行匯總，最終得到區(qū)域地圖的通用信息，并且可以進(jìn)行有效的核實(shí)，確保了這些信息的準(zhǔn)確率，同時也可以防止一些特殊情況的干擾。另外，它還可以為今后的測繪工作，提供實(shí)際檢測效率，例如，在長期檢測工作中，為避免時間出現(xiàn)浪費(fèi)現(xiàn)象，應(yīng)合理利用該技術(shù)進(jìn)行動態(tài)捕捉以獲取準(zhǔn)確的測量信息，如天文現(xiàn)象、水文環(huán)境等。與此同時，在工程測繪工作中，其實(shí)際的監(jiān)測尺寸在隨著工程需求不斷提高。就目前激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)發(fā)展來看，其當(dāng)前的應(yīng)用優(yōu)勢提高了監(jiān)測的尺度比，并且對于小范圍的物體檢測來說，激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)已經(jīng)形成了一定專業(yè)化的監(jiān)測流程。

2.3 數(shù)據(jù)全面

該技術(shù)在檢測中其范圍較為廣泛，為此檢測內(nèi)容較多。從宏觀層面進(jìn)行分析，由于地球上一切自然演變與人文社會發(fā)展都可以進(jìn)行監(jiān)測，但在實(shí)際地形測繪中，應(yīng)該合理利用該技術(shù)針對地域土壤、自然事物、水文等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，并以分析得出實(shí)際地域情況，在有效確保測繪工作全面性時也促進(jìn)了數(shù)據(jù)的有效性。

3 激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)應(yīng)用范圍

根據(jù)常見的電磁段，激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)可以劃分成可見光、紅外、多段、紫外和微波。目前，我國的遙感技術(shù)發(fā)展趨勢是：增強(qiáng)遙感器的解析度，充分發(fā)揮信息的能力，開發(fā)先進(jìn)的遙感器、信息傳輸和數(shù)據(jù)處理裝置，使其能夠全天工作，并能及時獲取信息。遙感平臺是一種帶有探測作用的載體，根據(jù)其海拔一般可劃分為地面平臺、空中平臺和空間平臺。地面上的平臺包括三腳架、遙感塔、遙感（船）、樓頂?shù)?，主要是對地表進(jìn)行短程的探測，獲取實(shí)驗所需的詳細(xì)圖像；高空平臺包括在大氣中飛行的飛機(jī)、飛艇、氣球等；以及在大氣層之外的飛行器，如航天飛機(jī)、火箭等。不同海拔的衛(wèi)星可以得到不同區(qū)域、不同分辨率的影像資料。在遙感領(lǐng)域，3 種類型的衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以相互補(bǔ)充、協(xié)同工作[2]。

而遙感器就是用來探測周圍的物體或者是對周圍的電磁信號進(jìn)行反射的設(shè)備。目前常用的20 多種，除了紅外照相機(jī)、紅外照相機(jī)、紫外線照相機(jī)外，還包括紅外掃描儀、多光譜掃描儀、微波散射儀、側(cè)視雷達(dá)、專題成像儀、成像光譜儀等。該遙測器通過校正、變換、分解、組合等數(shù)學(xué)處理，提供給使用者分析、解讀，或利用GIS 及專業(yè)技術(shù)，制作成主題圖或統(tǒng)計圖，為資源勘察、環(huán)境監(jiān)測、國土測繪提供資訊。遙感技術(shù)發(fā)展到了多光譜、多極化、微型化、高解析度等方面。

目前，中國已經(jīng)發(fā)射了20 多顆遙感氣象衛(wèi)星，并取得了全球最多、最全的氣象衛(wèi)星，并建成了衛(wèi)星遙感地面觀測平臺、衛(wèi)星氣象觀測中心、影像數(shù)據(jù)處理、電腦繪圖等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得遙感技術(shù)向高分辨率、高精度、高精度、全天候、實(shí)時抗干擾、實(shí)時等方向發(fā)展，在目標(biāo)監(jiān)測、地物分類和大數(shù)據(jù)分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

3.2 環(huán)境治理應(yīng)用

（1）黑臭河是當(dāng)前我國水質(zhì)惡化的一個極端問題。省、市、自治區(qū)、直轄市人民政府近日宣布，要根據(jù)調(diào)查結(jié)果，制訂出市級城市污水整治規(guī)劃，爭取在“十四五”期間全部完成。在黑臭水體的防治中，篩選與監(jiān)控方法是十分必要的。常規(guī)的篩選與監(jiān)控方法，要求人員到工地進(jìn)行，成本高，覆蓋面小，數(shù)據(jù)處理速度緩慢。但利用激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)，可成功地突破了水質(zhì)定量化、大規(guī)模批量處理等科學(xué)問題，并建立了以高質(zhì)量、高批量處理技術(shù)為主要技術(shù)支撐的污水系統(tǒng)。然而，除黑河流域外，還存在著許多問題。目前，在氣象、地球資源普查、環(huán)境污染監(jiān)測、地震監(jiān)測、海洋監(jiān)測、土地利用規(guī)劃、植被分類、作物產(chǎn)量調(diào)查以及作物病害監(jiān)測等領(lǐng)域中，激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。

（2）在測繪工程中，很多工程類型都對測繪提出了一定的要求。但相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖像信息對于實(shí)際工程建設(shè)比較重要，因此應(yīng)利用激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對工程全方位的測量，并在特殊目標(biāo)獲取方面提高優(yōu)勢。在借助激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)對特殊目標(biāo)進(jìn)行獲取時，可有效提高準(zhǔn)確性，并使所有影像資料精度更高，避免了傳統(tǒng)測繪中出現(xiàn)的圖形質(zhì)量差、位置不對等情況[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，在激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)快速發(fā)展下，該技術(shù)已經(jīng)逐漸成為全面應(yīng)用的新型技術(shù)，該技術(shù)可結(jié)合其他技術(shù)為測繪行業(yè)提供有力的數(shù)據(jù)支持，其激光雷達(dá)地形測繪遙感技術(shù)在很大程度上減少了工程測繪中需要的人力與物力資源，相信該技術(shù)在未來發(fā)展一定可以更加完善。