基于LIDAR技術(shù)的三維地圖建模方法研究

陳華宏

摘要：在這個科技飛速發(fā)展的時代，使用傳統(tǒng)的城市建模方法已經(jīng)跟不上這個充滿大數(shù)據(jù)時代的腳步，近年來三維地圖建筑方法稱為其領(lǐng)域上的一個研究熱點，采用三維的方式進行城市建模可以讓人們直觀的去進行感受，通過LIDAR技術(shù)來對三維地圖建模進行更加深入的研究。

關(guān)鍵詞：LIDAR技術(shù);三維地圖建模;城市數(shù)據(jù)

中圖分類號：P208?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-9129（2020）04-0027-01

Abstract：in this era of rapid development of science and technology， the use of traditional urban modeling method has already can't keep up with the pace of the era of large data， this is in recent years， three-dimensional map building method known as a research hotspot of the field， with the method of 3 d city modeling can make feelings， to let people intuitively by LIDAR technology for modeling 3 d map for more in-depth research.

Key words：LIDAR technology;3d map modeling;The city data

1 引言

一個全新的的概念“數(shù)字地球”在20世紀80年代被提出，自此以后許多相似的概念也就相繼被提出，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，城市的發(fā)展也有了一個新的突破，目前城市作為我們的主要生活和活動區(qū)域，城市的經(jīng)濟、政治以及文化等方面都能突出這個國家的經(jīng)濟文化方面的建設(shè)。由于“數(shù)字地球”的出現(xiàn)，“數(shù)字城市”與我們的生活有著緊密聯(lián)系。為了給當(dāng)代人們更好的生活體驗，基于LIDAR技術(shù)的三維地圖建模方法來進行研究，更加完善城市的信息化和提高城市的建設(shè)水平。

2 LIDAR技術(shù)

2.1 LIDAR技術(shù)的含義。LIDAR（激光雷達）是一種將激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)三種技術(shù)集于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（一定范圍內(nèi)規(guī)則格網(wǎng)點的平面坐標及其高程的數(shù)據(jù)集，其主要是描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間分布，是通過等高線或相似立體模型進行數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)內(nèi)插而形成的）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地去定位激光束打在物體上的光斑。它又分為兩種系統(tǒng)，一個是目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型（DEM）的地形LIDAR系統(tǒng)，另一個是已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)共同的特點都是利用激光來進行探測和測量。

激光雷達是“光探測和測距”的簡稱，早先將其稱為光雷達，因為那時使用的光源均為非激光。自激光器出現(xiàn)以來，激光作為高亮度、低發(fā)散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以現(xiàn)在的光雷達均使用激光器作光源，名稱也就統(tǒng)稱為激光雷達了。

LIDAR可以分為機載和地面這兩類，其中機載激光雷達是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，可以量測地面物體的三維坐標。機載LIDAR是一種主動式對地觀測系統(tǒng)，是九十年代初首先由西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用的一門新興技術(shù)。它將激光測距技術(shù)、計算機技術(shù)、慣性測量單元（IMU） /DGPS差分定位技術(shù)集于一體，該技術(shù)在三維空間信息的實時獲取方面有著重大的突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。它具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點。機載LIDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分地穿透樹林遮擋，直接獲取高精度三維地表地形數(shù)據(jù)。機載LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)軟件數(shù)據(jù)處理后，可以生成高精度的數(shù)字地面模型DTM、等高線圖，具有傳統(tǒng)攝影測量和地面常規(guī)測量技術(shù)無法取代的優(yōu)越性。機載激光雷達技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，使航測制圖如生成DEM、等高線和地物要素的自動提取更加便捷，其地面數(shù)據(jù)通過軟件處理很容易合并到各種數(shù)字圖中。

2.2 LIDAR技術(shù)的過程。激光雷達進行測量的基本作用過程就是作為光源的激光器發(fā)出特定的波長光束，射向目標，該波長的光同目標相互作用之后，有一部分光與發(fā)射光束相反的方向反射回接收裝置，經(jīng)探測后就可獲得目標的有關(guān)信息。

2.3 LIDAR技術(shù)的特點及原理。LIDAR技術(shù)的特點就是利用激光進行探測和測量。激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區(qū)別，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這也是直接探測型雷達的基本工作原理。因為光速是已知的，所以根據(jù)發(fā)射光的發(fā)出時間和后向散射光的接收時間的時間差就可計算出激光器與目標的距離，這就是激光雷達能測距的原理。

3 三維地圖建模

3.1三維地圖建模的含義。三維地圖模型是在以二維地理信息為基礎(chǔ)制作出的一種三維模型，經(jīng)過程序開發(fā)，已發(fā)展成為三維地理信息系統(tǒng)，可以利用此系統(tǒng)進行分析城市的自然要素和建設(shè)要素，用戶通過交互操作，得到一種真實、直觀的虛擬城市環(huán)境感受。其研究的核心內(nèi)容都是要以數(shù)字化的形式再現(xiàn)三維空間世界以及在三維空間中的應(yīng)用模擬，滿足各個應(yīng)用領(lǐng)域的需要。對城市地形、地物實現(xiàn)數(shù)字化三維模擬，可以提供一個與真實生活環(huán)境類似的虛擬城市環(huán)境，"建筑的形態(tài)、高度、空間尺度等一目了然，很直觀"，為城市規(guī)劃、建設(shè)與運營決策等提供三維信息服務(wù)，這樣就比傳統(tǒng)的城市建模更加的便捷和準確。

3.2三維地圖建模的意義。傳統(tǒng)的三維地圖建模的主要數(shù)據(jù)來源于高分辨率遙感衛(wèi)星影像、二維調(diào)繪地圖數(shù)據(jù)等，這是一項重大的工程，需要巨大的資金支持、繁復(fù)的技術(shù)以及大量的人力資源，而技術(shù)的水平高低直接影像著城市建模的最終效果以及完成進度，關(guān)鍵是受到影響因素具有不可控性，實際運用起來有著很大的局限性。

在LIDAR技術(shù)上的三維地圖建模已經(jīng)運用到各種不同的領(lǐng)域，用于城市的規(guī)劃、旅游、城市管理、城市環(huán)境動態(tài)變化研究等，對于城市規(guī)劃，三維地圖建?？梢詫Τ鞘械奈磥硇螒B(tài)規(guī)劃進行預(yù)演，消失的城市形態(tài)也可以重新模擬出來，并且可以根據(jù)規(guī)劃成果隨時進行修改，從而獲得城市規(guī)劃方案調(diào)整的科學(xué)依據(jù)，使得城市規(guī)劃更具有前瞻性。由此可以看出，三維地圖建模對于城市各方面的發(fā)展都有著重要的意義。對于城市管理，三維地圖建模技術(shù)可以完成城市災(zāi)害事件和突發(fā)事件的動態(tài)模擬，實現(xiàn)城市各種信息的可視化查詢，為政府對城市管理工作提供服務(wù)。

4 小結(jié)

基于LIDAR技術(shù)的三維地圖建模的方法，可以有效的提升模型的精確度，降低生產(chǎn)成本，而且可以給人以直觀的感受，增強人們的體驗感，較好地彌補了傳統(tǒng)城市建模方法的不足之處。由于這個大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)方面會越來越完善，在三維地圖建模的過程中提供的數(shù)據(jù)也更加精準，速度也越來越快，并且會運用到更加廣泛的領(lǐng)域上，有著廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求。

參考文獻：

[1]杜金蓮，徐碩，趙楓朝.基于二維數(shù)字地圖的三維城市建模方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2018，30（10）：3710-3716.

[2]王玨璠，王海鷹，焦學(xué)軍.基于Unity3D的三維虛擬地理教學(xué)系統(tǒng)初探[J].測繪與空間地理信息，2020，43（3）：26-30，33.