激光雷達(dá)測繪技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用研究

郝金庚

壽光市測繪有限公司

在長期的技術(shù)改革發(fā)展過程中，測繪技術(shù)的精度、效率和范圍得到了大幅度改善，激光雷達(dá)測繪技術(shù)即為測繪新技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)成果。該技術(shù)依靠雷達(dá)向物體發(fā)射的探測信號，并與物體反饋信號進(jìn)行對比分析，輔助測繪人員掌握目標(biāo)單位的各種數(shù)據(jù)參數(shù)。在實際應(yīng)用期間，測繪人員通常需要結(jié)合測繪需求對激光雷達(dá)的類型進(jìn)行合理選擇，確保測繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性和可靠性。

1 激光雷達(dá)測繪技術(shù)概述

激光類型技術(shù)主要包括計算機(jī)系統(tǒng)以及激光系統(tǒng)兩個關(guān)鍵部分，前者用于對激光系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲和分析處理，后者主要用于發(fā)射激光脈沖。測繪期間，該技術(shù)能夠輔助測繪人員快速掌握目標(biāo)單位的三維空間坐標(biāo)信息，依靠計算機(jī)操作數(shù)碼攝影圖像，快速獲取相應(yīng)的三維實物模型，將目標(biāo)單位更直觀地還原出來，輔助工程建設(shè)人員對目標(biāo)空間形態(tài)進(jìn)行更直觀的觀測分析[1]。激光雷達(dá)測繪技術(shù)能夠發(fā)射電磁信號至目標(biāo)區(qū)域，依靠接收信號與發(fā)射信號的對比掌握目標(biāo)區(qū)域的高度、距離等數(shù)據(jù)信息，甚至可以依靠動態(tài)監(jiān)測實時掌握目標(biāo)的位置狀態(tài)情況。在大面積測距定位的過程中，該技術(shù)具有極高的精度，可以精確值4 cm 誤差范圍之內(nèi)。

2 工程測繪中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用情況分析

2.1 基礎(chǔ)測繪中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用

基礎(chǔ)測繪主要用于獲取目標(biāo)單位的基礎(chǔ)測繪信息，主要包含數(shù)字正射影像、數(shù)字線劃地圖等基礎(chǔ)內(nèi)容。在技術(shù)應(yīng)用期間，測繪人員首先需要生成相應(yīng)的數(shù)字圖像，基于數(shù)字坐標(biāo)構(gòu)建相應(yīng)的三維數(shù)字影像，為后續(xù)的基礎(chǔ)測繪信息收集工作奠定基礎(chǔ)[2]。在激光雷達(dá)技術(shù)的支持下，原本效率低下的測繪工作變得更具精度和效率，測繪人員的數(shù)據(jù)驗證分析和采集等能力大幅度提升。例如，激光雷達(dá)可以對攝像結(jié)果進(jìn)行高精度微分校正，獲得更加精準(zhǔn)、完美的數(shù)字正射影像。

2.2 高精度測繪中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用

測繪人員需要重視目標(biāo)信息采集測量工作在高精度測繪項目中的重要性，積極獲取目標(biāo)單位或區(qū)域的三維坐標(biāo)或三維模型。例如，在建筑測量、電力選線、水文測量等工程測繪技術(shù)，技術(shù)人員需要依靠測繪技術(shù)獲取目標(biāo)區(qū)域或相關(guān)單位的三維立體信息，還需要確保測繪結(jié)果的精度[3]。現(xiàn)場測繪階段，測繪人員需要根據(jù)工程項目的具體情況、現(xiàn)場環(huán)境特點等對激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行合理選擇。例如，如果某工程項目需要獲得高精度的三維目標(biāo)數(shù)據(jù)，則可以應(yīng)用機(jī)載雷達(dá)或者地面雷達(dá)進(jìn)行測繪，確保測繪結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中的精度要求。數(shù)碼相片技術(shù)使得測繪人員快速掌握目標(biāo)單位的紋理信息，能夠幫助測繪人員疊加各種數(shù)據(jù)信息模型，使得所生成的三維目標(biāo)模型具有較高的精度，為后續(xù)的形變測量、文物保護(hù)、工程建設(shè)規(guī)劃等提供決策指引。例如，在鐵路、公路工程建設(shè)期間，測繪人員可以依靠激光雷達(dá)測繪技術(shù)將公路、鐵路區(qū)域范圍內(nèi)的模型高精度地還原出來，為設(shè)計人員提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持。

在電力工程領(lǐng)域，設(shè)計人員通常需要依靠測繪技術(shù)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，而傳統(tǒng)測繪技術(shù)在精度方面往往存在欠缺，而激光雷達(dá)技術(shù)能夠為線路測量等工作提供極大的便利，輔助電力線路設(shè)計人員更直觀地掌握區(qū)域內(nèi)的地形要素，在電力線路維護(hù)以及故障搶修的過程中，該技術(shù)也能夠快速將故障區(qū)域的位置信息、高程信息反饋給相關(guān)技術(shù)人員，為維護(hù)、搶修工作提供技術(shù)支持。激光雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用過程中具有較高的靈活度，測繪人員能夠結(jié)合工程測繪實際情況自由調(diào)整測繪方案，使得激光雷達(dá)的測繪性能更有效地發(fā)揮出來。例如，在密林區(qū)域應(yīng)用該技術(shù)時，測繪人員可以對區(qū)域內(nèi)林木的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速預(yù)估和分析，為林木管理人員提供數(shù)據(jù)參考；在針對景觀區(qū)域進(jìn)行保護(hù)方案制定的過程中，激光雷達(dá)測繪技術(shù)也可以為相關(guān)人員提供區(qū)域內(nèi)全面數(shù)據(jù)信息，為工作人員提供決策指引。

2.3 數(shù)字礦山中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用

礦山開采過程中，復(fù)雜的地形、地質(zhì)構(gòu)造使得施工人員面臨極大的安全風(fēng)險，采礦單位需要依靠激光雷達(dá)技術(shù)獲取礦山精準(zhǔn)模型，為相關(guān)工作的開展提供數(shù)據(jù)支持。

2.3.1 獲取礦山地形數(shù)據(jù)

在對礦山地形相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集的過程中，激光雷達(dá)測繪技術(shù)人員應(yīng)該做好設(shè)備參數(shù)的修正優(yōu)化工作，確保設(shè)備運行情況滿足現(xiàn)場實際需求，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)對飛行速度、縱行電距、凈空高度等各類參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，盡可能使得礦山地形數(shù)據(jù)采集結(jié)果具有較高的精度。測繪人員通常需要針對各個目標(biāo)點位進(jìn)行地形數(shù)據(jù)的采集工作，操作期間技術(shù)人員需要利用激光雷達(dá)朝著地面區(qū)域發(fā)射脈沖，并通過長期接收礦區(qū)地面反射的脈沖信號，通過在GPS 技術(shù)的支持下精準(zhǔn)地獲取傳感器的位置信息，在IMU 裝置的支持下對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測分析，形成相應(yīng)的三維空間坐標(biāo)[4]。針對地面與脈沖接觸形成的三維坐標(biāo)，技術(shù)人員需要依靠分類技術(shù)提出與目標(biāo)點位地形數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性不大的數(shù)據(jù)，避免植被等覆蓋物、建筑物等影響測繪精度。

2.3.2 礦山地形數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理效果對于最終得到的礦山地形結(jié)果精度具有較大影響，激光雷達(dá)技術(shù)能夠輔助測繪人員采集大量礦區(qū)地形的數(shù)據(jù)信息，相關(guān)信息技術(shù)的處理需要依靠計算機(jī)來完成。一般而言，測繪人員可以依靠TerraScan 軟件高效分析處理礦區(qū)地形信息。由于雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖點位并非完全為礦區(qū)地面，也可能為無信號的區(qū)域或者水域，這類區(qū)域通常為傳感器范圍亂碼數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理人員則需要依靠TerraScan 等軟件技術(shù)快速將亂碼信息篩選去除。例如，測繪技術(shù)人員可以通過濾波處理的方式將無法直觀反饋礦區(qū)地形的數(shù)據(jù)剔除，避免影響數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，盡可能提升數(shù)據(jù)處理效率。激光雷達(dá)測繪所得的數(shù)據(jù)結(jié)果相對復(fù)雜，每次掃描都可能形成各種類型的重疊數(shù)據(jù)，為了確保非重疊數(shù)據(jù)與重疊數(shù)據(jù)的合理區(qū)分，數(shù)據(jù)處理人員需要在分類的基礎(chǔ)上做好拼接處理工作，盡可能確保拼接結(jié)果達(dá)到無縫拼接的程度。

2.3.3 實現(xiàn)礦山地形測量精度分析

針對處理獲取的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，測繪人員需要以三維空間模型的形式在比例范圍對礦山地形進(jìn)行繪制，并結(jié)合比例尺要求對等高距等模型參數(shù)進(jìn)行對比分析，并隨機(jī)選取部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測量精度對比，確認(rèn)礦山測量結(jié)果是否滿足測繪標(biāo)準(zhǔn)的要求[5]。在實際操作期間，測繪人員為了生成數(shù)字化的礦山表面模型，通常需要在利用云計算相關(guān)技術(shù)篩選分類初始數(shù)據(jù)的情況下，得到各關(guān)鍵點位的位置坐標(biāo)，并將對比數(shù)據(jù)在表面模式中標(biāo)注，生成礦區(qū)等高線圖。最終結(jié)合不同區(qū)域地形、高度、植被覆蓋情況的差異性對各種檢查點進(jìn)行合理選取，通過將前期測量數(shù)據(jù)與檢查點數(shù)據(jù)對比的方式確定測繪誤差，依靠對大量誤差進(jìn)行平均統(tǒng)計等方式確定測量精度。

2.4 城市規(guī)劃中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用

在城市規(guī)劃建設(shè)過程中，激光雷達(dá)技術(shù)能夠發(fā)揮良好的應(yīng)用效果，對于數(shù)字化城市的建設(shè)具有推動作用。在激光雷達(dá)技術(shù)的支持下，規(guī)劃建設(shè)人員能夠快速獲取城市建筑相關(guān)的高精度數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的三維立體模型，輔助相關(guān)人員掌握城市整體布局情況。

2.5 林業(yè)發(fā)展中的激光雷達(dá)測繪技術(shù)應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)在林業(yè)建設(shè)發(fā)展期間具有重要作用，無論是森林調(diào)查還是林區(qū)地形測繪等，依靠傳統(tǒng)測繪技術(shù)通常存在抗干擾能力不足、測繪精度低等問題，激光雷達(dá)測繪具有比衛(wèi)星成像更高的優(yōu)勢，能夠在測繪區(qū)域地形的同時掌握林木高度相關(guān)數(shù)據(jù)，為林業(yè)工作人員提供精準(zhǔn)的樹木信息。

3 結(jié)語

綜上所述，激光雷達(dá)測繪技術(shù)由激光雷達(dá)這一數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及計算機(jī)軟件處理設(shè)備共同完成測繪工作，在基礎(chǔ)測繪以及高精度測繪過程中具有重要作用。測繪單位需要積極探索該技術(shù)在礦山測量、城市規(guī)劃、電力線路設(shè)計、森林業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域測繪工作中的應(yīng)用策略，為相關(guān)行業(yè)發(fā)展提供助力。