探討工程測繪中激光雷達測繪技術(shù)

徐四祥

（佛山市測繪地理信息研究院，廣東 佛山 528000）

激光雷達測繪技術(shù)分為計算機系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)相互協(xié)作處理測量問題，該技術(shù)中的激光系統(tǒng)主要通過利用發(fā)射設備向外供給激光脈沖，得到的反饋信息傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)當中，通過計算機自身的數(shù)據(jù)處理技術(shù)對數(shù)據(jù)進行存儲和統(tǒng)計以及以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。

應用在測繪當中主要是利用其光波來測量，在整個工程測繪工作進行當中，激光雷達技術(shù)首先發(fā)射激光測量出待測目標的空間三維坐標，利用構(gòu)建的三維坐標繪制出目標相關(guān)的耳朵數(shù)字攝像片，得到具體的實體三維模型，進而真實的展現(xiàn)目標工程的所有物體[1]。激光雷達技術(shù)的運行過程經(jīng)過對信號的處理形成模型后對模型當中的具體數(shù)據(jù)進行測量，具體數(shù)據(jù)包括目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)?，F(xiàn)在激光雷達技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，其中在礦山工程當中對各種目標進行探測，由于具備自身的雷達系統(tǒng)可以進行實時的跟蹤和識別。一般的激光雷達分為兩種，一種為地面三維激光掃描技術(shù)，另一種是機載激光雷達掃描技術(shù)，這兩種技術(shù)方法通常結(jié)合在同一項工程當中使用，以得到更準確的數(shù)據(jù)。

1 基礎工程中的激光雷達測繪技術(shù)

在基礎工程當中利用激光雷達測繪技術(shù)首先進行初步的基礎測繪，也就是構(gòu)建出測繪的基本框架，通過對工程項目施工場地的測繪工作，獲得一定的測量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工程項目的基本要求和主要施工目的，基礎測繪是對有關(guān)測量物體的基本信息進行搜集和整理，需要構(gòu)建圖像的基本架構(gòu)，確定平面圖的大方向，建立三維坐標，獲得基本的數(shù)據(jù)點，最后生成數(shù)字影像的過程[2]。

為了得到準確的測量數(shù)據(jù)，在測量中使用激光發(fā)射儀，通過激光發(fā)射在不影響工程設施的基礎上更快的測出測量結(jié)果。打開激光發(fā)射裝置，放置在待測量的原件上，連接計算機進行數(shù)據(jù)的實施傳輸，開啟雷達裝置，當激光發(fā)生偏移時可以啟動警報。利用計算機成像系統(tǒng)生成基本圖像，標注目標點的大致位置，為后期的精密圖像繪制做好基礎工作。在得到基礎圖像的基礎上測量建筑、變形、沉降等精密數(shù)據(jù)，這些精密測繪工作大多會涉及測量目標采集和三維物體模型構(gòu)建工作。

無論是測量目標采集還是三維物體模型構(gòu)建，都要求有準確的測繪數(shù)據(jù)支持，利用激光雷達得到比較精準的測繪數(shù)據(jù)，基本滿足精密測繪工作要求。在激光掃描中心發(fā)射激光到測點上，傳輸?shù)接嬎銠C端轉(zhuǎn)化成三維坐標，具體工作示意圖如圖1所示。

經(jīng)過精密測量還需要對獲得的精確數(shù)據(jù)信息進行處理，達到精化的效果。在基礎工程當中利用激光雷達測繪技術(shù)進行對測體的測量時，會因為測體對激光的吸收而影響回波信號的信號質(zhì)量和精度，激光的光波折射也會產(chǎn)生一定的偏差，從而產(chǎn)生具有一定誤差率的異常距離值。采集到的這樣的異常數(shù)據(jù)包括噪聲等，需要利用計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行濾波處理，基于激光數(shù)據(jù)腳點的高程突變等信息進行[3]。這樣就可以得到具有使用價值的數(shù)據(jù)信息。將處理完成的信息需要轉(zhuǎn)換成坐標數(shù)據(jù)，利用計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件將動態(tài)定位結(jié)果轉(zhuǎn)換成為圖像中的坐標，利用掃面中心坐標和坐標系間參數(shù)進行轉(zhuǎn)換。將激光雷達測繪技術(shù)應用到基礎工程當中，相比于傳統(tǒng)的測繪方法更加方便，也能得到更加精確的結(jié)果。

圖1 激光雷達精密測量工作示意圖

2 礦山工程中的激光雷達測繪技術(shù)

在當前生態(tài)文明社會的大背景下，中國的礦產(chǎn)事業(yè)在測繪階段存在一定的困難，特別是在生態(tài)環(huán)境惡劣的礦山上，測繪過程會受到空間程度上的局限，想要滿足礦產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展要求就要投入大量的人員資源和財物資源，這樣不僅會勞民傷財也無法達到預想中的效果。

為了解決人力所不能為的問題，借助激光雷達測繪技術(shù)，通過數(shù)字礦山來推動礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在礦山工程當中需要測繪的參數(shù)包括礦山地質(zhì)分布、礦產(chǎn)資源分布、勘探路線等。

由于礦山環(huán)境復雜，存在著很多的不確定因素，若通過工作人員進行實地勘測，可能會引發(fā)一系列的危險事故。尤其在勘探路線的規(guī)劃上，需要在測繪當中標注好路線、路標、路障等，且這些信息要十分精確，才能保證礦山工程中的勘探工作可以順利安全的進行。在這樣的不方便工作人員深入的測量范圍，大多使用無人機來進行操控，這樣就需要獲取無人機的飛行航跡推導出目標的準確坐標和原件尺寸。利用地面GPS基站和激光機載GPS的測量數(shù)據(jù)聯(lián)合平差來確定飛機的飛行軌跡。該技術(shù)中的雷達系統(tǒng)所提供的是以橢球面為基準的大地高程，當測量范圍廣時，可以將地球表面當成平面來處理，其誤差可忽略不計。將獲得的測繪信息與基礎物理模型進行疊加，構(gòu)建被測物體的精細三維模型，使礦山工程得以順利實施。將已經(jīng)成型的礦山工程模型存儲在計算機系統(tǒng)當中，該模型還可以應用在很多其他的工程當中，對后期的礦山的管理、修繕、開發(fā)甚至采礦都有著一定的參考價值。

3 電力工程中的激光雷達測繪技術(shù)

在電力工程當中除了對電路元件設施進行測繪外，還需要對內(nèi)部電力傳輸和管道線路進行測量和規(guī)劃，由于工程環(huán)境復雜具有許多不安全因素的存在，也就為傳統(tǒng)的線路測繪工作增加了一定的難度。

在激光雷達測繪技術(shù)當中利用機載雷達掃描技術(shù)即可最大限度地突破不利地理環(huán)境因素的影響。由于電路一般存在建筑內(nèi)部或者地下，所以在激光雷達測繪技術(shù)實施過程中，一般的電力工程測繪利用直升機或無人機進行測量工作，雷達系統(tǒng)起到主要作用。雷達系統(tǒng)對傳輸中的電力線路進行勘測，避免測量產(chǎn)生偏移影響數(shù)據(jù)的準確，讓飛行設備沿著電力傳輸與管道傳輸?shù)淖呦蚝途€路從頭至尾飛行即可完成測繪工作。

由于一些傳輸線路比較薄弱，要選擇合適激光強度，為了保證采集效果可以按照電力的強弱來自動調(diào)整發(fā)射激光的強度。除此之外，飛行設備的飛行高度和飛行速度也會影響數(shù)據(jù)的采集，所以在計算機數(shù)據(jù)分析和形成模型的過程中，需要將影響因素考慮其中并采取一定的處理措施，以獲得更高質(zhì)量的測繪數(shù)據(jù)。在具體線路測繪工作當中，還可以安裝錄像機和數(shù)字相機等設備，在測繪的同時對電力傳輸線路進行檢查和維護，使得兩項工作能夠完美結(jié)合。由于線路測繪的危險系數(shù)相對較高，所以對其精細度的要求也更加嚴苛，所以在線路測繪中所用到的激光發(fā)射裝置和雷達裝置要定期進行維護，避免因設備問題而引起的數(shù)據(jù)偏差，通過激光雷達測繪技術(shù)的應用提高電力網(wǎng)管布設的科學性和實用性。

4 結(jié)語

現(xiàn)如今激光雷達測繪技術(shù)已經(jīng)逐漸應用到各種行業(yè)的工程當中，按研究的對象包括礦山工程測繪、水利工程測繪、公路工程測繪、鐵路工程測繪等。

經(jīng)過長時間的應用分析發(fā)現(xiàn)激光雷達測繪技術(shù)解決了傳統(tǒng)測繪工作中的問題，且提升了測繪的效率。但由于中國對該技術(shù)的應用相比于發(fā)達國家起步較晚，還有更大的發(fā)展空間，希望在今后的使用過程中不斷的對技術(shù)進行改進，推動測繪事業(yè)的發(fā)展。