激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)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(tǒng)的測繪技術(shù)很難達到發(fā)展的要求。近年來，越來越多的高科技新技術(shù)不斷應(yīng)用于工程測繪中。激光雷達測繪技術(shù)作為一種新型的測繪技術(shù)，逐漸發(fā)展成熟，并在工程測繪中成功應(yīng)用。 本文對激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用進行了探討。首先分析了激光雷達測繪中的激光發(fā)射機、空間掃描、終端信息處理等關(guān)鍵技術(shù)，介紹了國內(nèi)外典型的激光雷達測量系統(tǒng)。針對激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用，分別闡述了其在基層測繪、精密工程、數(shù)字礦山、電力工程、森林工業(yè)、數(shù)字城市中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：激光雷達；測繪技術(shù)；工程測繪

1.激光發(fā)射機技術(shù)

現(xiàn)在，激光雷達發(fā)射機選擇的光源主要是氣體激光器和半導(dǎo)體泵浦固體激光器等。半導(dǎo)體激光器是一種小型化的激光器，工作物質(zhì)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(fā)展。波長覆蓋范圍越來越大，各項的性能參數(shù)和輸出功率也得到不斷提高，應(yīng)用在某些重要領(lǐng)域。半導(dǎo)體泵浦固體激光器優(yōu)點是量子效率高，重量輕、體積小、穩(wěn)定可靠、工作壽命長，輸出的光束質(zhì)量好，已經(jīng)可以解決工程的應(yīng)用問題，是發(fā)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(yīng)用最廣、輸出的激光波長最豐富的激光器。優(yōu)點是輸出波長的范圍很寬，氣體光學(xué)均勻性好，輸出光束質(zhì)量較好，穩(wěn)定性好等。

2國內(nèi)外目前典型激光雷達測量系統(tǒng)

由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步，國內(nèi)外的典型激光雷達主要表現(xiàn)在：火控激光雷達方面是激光雷達在火控的系統(tǒng)中同微波雷達和紅外系統(tǒng)的復(fù)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(tǒng)等火控系統(tǒng)。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(dǎo)彈的組織下，美國麻省理工學(xué)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(fēng)激光雷達。20世紀90年代以來，隨著半導(dǎo)體二極管激光器的發(fā)展，解決了激光雷達的實用性。

3激光雷達測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)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(yè)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(shù)碼相片獲得紋理信息，并與構(gòu)筑物模型實現(xiàn)疊加，以構(gòu)建三維模型，可有效實現(xiàn)對景觀的規(guī)劃分析、物體保護、形變測量、規(guī)劃決策等。例如激光雷達技術(shù)在鐵路設(shè)計、公路設(shè)計中提供的高精度地面高程模型，可便于線路的設(shè)計與施工方法精確計算。在電力線路設(shè)計過程中，利用激光雷達技術(shù)的成果數(shù)據(jù)可以對整個線路有所了解，包括公共區(qū)域內(nèi)的地物、地形等要素；在電路線維護或搶修時，根據(jù)電力線路中的激光雷達數(shù)據(jù)點，以及對應(yīng)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(qū)內(nèi)，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(chǔ)測繪

基礎(chǔ)測繪，是對工程測繪過程中的基本要求和基本目的的實現(xiàn)，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(chǔ)測繪的階段，應(yīng)該實現(xiàn)對數(shù)字影像的基本反映和切割，并在此基礎(chǔ)上進行初步的測繪地圖的形成。對于測繪工程來說，數(shù)字攝影和測量的工作是非常繁瑣和重要的，所以要求實現(xiàn)對其基本線路和程序的嚴格設(shè)計和規(guī)劃，經(jīng)檢驗激光雷達技術(shù)可以根據(jù)數(shù)字三維坐標的方式實現(xiàn)地面三維坐標的定位。而機載激光雷達技術(shù)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(shù)字正射影像生產(chǎn)更加容易，并不需要數(shù)字攝影測量平臺，極大降低成本，在一般遙感圖像處理系統(tǒng)中就可以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。另外，高精度的激光點云數(shù)據(jù)，可直觀反映地物、植被等三維信息，充分利用這些資源，實現(xiàn)更加精準的判讀與測量，提高數(shù)據(jù)的采集效率與質(zhì)量。

3.3數(shù)字礦山的構(gòu)建

數(shù)字礦山的建立既滿足環(huán)境友好型、經(jīng)濟節(jié)約型社會需要。也對促進礦山可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。近年來，我國礦業(yè)及礦業(yè)城市遇到了生存與發(fā)展的困境，而礦山生態(tài)環(huán)境、資源枯竭等問題嚴重，礦山系統(tǒng)內(nèi)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(shù)字礦山的重視。利用激光雷達數(shù)據(jù)濾波迅速提取礦區(qū)內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，建立起三維虛擬地面模型，并確定建筑物的合理區(qū)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(xiàn)塌陷區(qū)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟評價，對由于沉陷造成的土地侵蝕與裂縫進行分析，調(diào)查沉陷區(qū)的建筑物破壞情況，以及檢測滑坡地質(zhì)災(zāi)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(tǒng)，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?shù)淖呃蕊w行，比固定翼飛機節(jié)約成本，并且直升機可以隨時根據(jù)需要調(diào)整高度和速度，以獲得更為精準的數(shù)據(jù)。如果在激光雷達應(yīng)用平臺中同時使用錄像機、數(shù)字相機及其他傳感設(shè)備，既可實現(xiàn)激光雷達測量，也可同步進行線路檢查及制圖工作。

3.6數(shù)字城市建設(shè)的應(yīng)用

數(shù)字城市是21世紀以來，很多地方正在力爭構(gòu)建的信息化目標?？臻g信息作為數(shù)字城市的基礎(chǔ)框架和平臺，是構(gòu)建數(shù)字城市的重要研究課題。激光雷達測繪系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，提供了構(gòu)建數(shù)字城市最寶貴的空間信息資源，因此是數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)力量。數(shù)字城市，還需要構(gòu)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(tǒng)技術(shù)，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(shù)字城市服務(wù)面的寬度和深度。利用激光雷達測繪技術(shù)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(shù)據(jù)進行模型構(gòu)建和紋理映射，多方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實施快速動態(tài)史新，為數(shù)字城市建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的持續(xù)性、歷史性提供了確實的保障。

4結(jié)束語

由上可見，激光雷達測繪技術(shù)將成為未來工程測繪的發(fā)展方向，具備更多的優(yōu)勢。通過激光雷達測繪技術(shù)與其他測量技術(shù)的配合使用，將提高工程測繪的效率與質(zhì)量。但是目前我國在激光雷達的數(shù)據(jù)處理方面技術(shù)尚不成熟，仍需進一步深入研究。

參考文獻：

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