浅谈激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

浅谈激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用摘要：近些年来随着我国建筑工程业的迅速发展和信息技术的不断普及，工程测绘技术也有了长足的进步，这期间经历了不断的技术革新和理念的转换，激光雷达测绘技术的出现就是佐证。本文简要介绍了激光雷达测绘技术的概念和特性，并对它在工程测绘中的应用进行了分析和例证。关键词：激光雷达；测绘技术；工程测绘；特性；应用我国在上世纪80年代开始发展激光技术，由于激光机在各种工程项目中的广泛应用，它的技术能力也在不断发展进步。作为一种新型高效的激光技术形式，激光雷达技术在工程测量活动中起到了至关重要的作用，它也成为了地形测绘科研领域中备受关注的热门课题。一、激光雷达技术（一）基本概念激光雷达技术即LiDAR（LightDetectionAndRanging）。它是一种能够实现空间三维坐标同步，快速准确获取，根据实时摄影数码快照，通过计算机系统构建来实现大型实体或场景目标3D数据模型的高科技技术。它的特点就是能够客观真实的再现事物的实时且真实的形态特征，从而快速获取测量目的所需的相关空间信息。（二）分类激光雷达技术根据载体的差异而分为地面三维激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。地面三维激光扫描技术的载体即地面，它主要结合了激光扫描仪、数码相机和GPS，从地面的角度对目标物进行扫描成像，目的在于获取激光反射回波数据和目标表面影像，并通过软件的三维数字模型重构加强成像纹理的精确化贴加。地面三维激光扫描系统可以加载在地面，也可以搭载在移动中的地上设施上，这样能够更好进行连续的二维场景以及目标形态的空间数据采集工作。相对而言，机载激光雷达系统则更被工程测绘所青睐，它具有高速、高性能、长距离航拍测量等特点。机载激光雷达系统搭载了高精度的激光测高仪、GPS定位系统、IMU惯性制导仪和高分辨率的数码相机，它们能够实现对于目标对象的同步测量。在测量后，系统会运用特定方程结算处理实时收到的测量数据，生成具有高密度的三维激光点云数值，最优化的为地形信息提供精确数据。在我国，机载激光雷达技术已经成为了近10余年来最为先导的摄影测量和遥感技术，它引领了目前测绘领域最为先进的三维航空遥感技术，无论在测绘领域还是遥感领域，机载激光雷达技术都无愧于革命性的成就之一。（三）原理激光雷达技术应用于测量工作，它的主要原理就是采用现代化光频波段雷达技术对测量目标地区进行电磁波的传送和控制。这其中电磁波的发送、回收和处理的判断依据都依靠采集数据和系统参数，它的最大优势就是能够准确的测量物体的位置。体积和距离，并且具有极强的实时性和移动测量性。激光是利用光波来进行测量的。与普通光波相比，激光的方向性、单色性、相干性都更加突出，且不易受到大气环境和太阳紫外线的干扰。所以用激光进行距离量测不但数据采集安全性高而且抗干扰能力强。测绘过程中，当激光器的激光射到某个物体的表面上时，会有一部分光反射回激光器被激光雷达接收器接收，此时雷达系统内部的仪器就会计算出光由激光器射出到返回整个过程的时长，同时计算出激光器到反射物体的距离，即：距离D=光速C*时间t/2。另外，激光雷达系统中的GPS也是重要角色。它会接收激光器所获得的一切位置坐标信息进而精算出每一个激光点的大地坐标并设置为X/Y/Z。我们所说的激光点云就是由大量的激光点所聚集而成的，这种激光点云在系统的重构条件下就会演变成点云图像，这也是机载激光雷达的测高理念。激光束发射的频率相当高，可达到每秒上万次脉冲。接收器能够在一分钟内就记录多达50万个点，效率极高，甚至有些激光雷达系统还能记录同一脉冲的数次反射。这些激光束搭载不同地点被折回，系统利用X、Y、Z坐标来进行点记录并分层。此时，我们就可以通过滤波处理和分类来获取地面高程，例如建筑物或其他物体的高度。在利用机载激光雷达系统进行测高作业，航高的不同其平面精度也会有所不同，10~30cm的高程精度其平面精度可以达到0.15~1m。这种机载激光雷达技术手段目前能够为数字地图、GIS应用和工程测绘提供精确的三维虚拟模型和空间坐标信息，相当实用。二、激光雷达测绘技术在工程测绘中的具体应用目前，激光雷达测绘技术已经广泛的应用到了各种工程领域当中，满足不同精度、不同类型的测绘需求。例如通过高精度、高密度的激光点云数据获得三维坐标，然后进行人工交互处理获得的数字高程模型。它能够有效的解决快速采集DEM数据的问题，而且它的高精度也能满足众多行业中对于高程的高要求。另外，目前的一些基础测绘和精密测绘也应用到了激光雷达测绘技术。（一）基础测绘基础测绘囊括了“4D”产品，除了上文提到的数字高程模型DEM，还包括了数字线划地图（DLG）、数字正射影像（DOM）以及数字栅格地图（DRG）。其中DOM来源于DEM，它是在获得精确地形信息前提下，在进行数字微分纠正后所得到的。在没有DEM提供资料时，DOM通过传统数字摄影测量实现，但是其测量工序繁琐且对技术设备及技术人员的技能要求相当高，所以此时运用机载激光雷达优化技术就能够解决高精度影像微分纠正的需求，从而使得DOM生产简单化。另外，利用机载激光雷达优化技术还能让DLG对地形物体的判断量测更加精确并更容易采集到可靠的数据。（二）精密测绘类似于公路、铁路和水文工程的测绘工作都属于精密测绘，因为它们都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息，建立精确的三维物体模型。地面和机载激光雷达技术都能胜任这些精密测绘工作。比如在公路设计上，运用高精度的地面高程模型DEM就会方便施工土方量的计算和线路的设计。而在电力线路维护工程中，激光雷达技术能够快速的建立数据点和地面的高程并测算出任意一处线与地面的距离高度，从而利于电力线路的抢修和维护。三、机载激光雷达技术在电力工程中的应用目前市场上比较缺乏成熟的商业化机载激光雷达优化选线平台，这也制约了我国机载激光雷达优化选线应用的发展。广西电力工业勘察研究院在机载激光雷达优化选线方面较为突出，他们已经在过去10年分别在钦防、罗平到百色、大新到南宁送出500kV线路，成果卓越。而在330kV以上和部分220kV架空送电线路工程勘测设计中，广西则采用了机载激光雷达技术展开架空送电线路优化选线工程。他们的具体做法是先将激光点云数据和航空数码影像数据进行全面处理，转化为DOM和DEM数据。利用DEM叠加DOM重建线路走廊三维场景，让设计者在三维场景中架构和优化选线。而在内业平断面测图方面，用三维场景进行平面地物、危险点和风偏的采集。在解决建筑高、植被高以及塔高方面，则运用了激光点云数据进行高程量测，而断面数据的提取则依赖DEM数据进行。为了保证电力线路能够安全运营，电力巡线工作也是广西方面比较重视的环节。他们的做法是定期对电力线路进行巡查，寻找植被上、房屋下的安全隐患，利用机载激光雷达的航拍测量技术进行电力巡线，它能够直接获取电力线路范围内的高精度激光点云数据，并同时获取高清晰的航空数码视频影像，然后将所采集的数据和线路地形构建三维模型，量测三维模型中可进行线路间距离和地物至电力线间距离，这样就能确定线路是否存在安全隐患。四、具体案例（一）机载激光雷达系统的作用距离量测我们以工程建筑为量测目标，在约5km的能见度条件下进行下视激光雷达对目标成像。以能够成像的最远目标距离作为下视激光雷达的成像距离。如表1能见度（m）作用距离（m）指标要求（m）结果1000028902700合格表1机载激光雷达系统量测距离及结果如图1所示，机载激光雷达系统的作用距离满足目标要求。（二）扫描均匀性量测机载激光雷达技术在三维地形回测扫描成像中，激光雷达主要采用扫描体质进行量测。尽管扫描均匀性是否合理不影响对目标角度的量测，但是扫描均匀性却能够在一定程度上反映采样点对地形轮廓的反映程度。机载三维地形测绘扫描成像是基于激光雷达成像原理，针对测量目标上若干点位置距离的信息，通过诸如插值这样的图像处理方法生成目标的三维图像，从而进行量测的。在这其中，采样点的均匀度影响着信息对激光图像的贡献，采样点越均匀，采样点的信息利用率就越高。本实验主要利用扫描均匀性测试设备BST-III扫描性能检测仪对激光雷达的光束描述均匀性指标进行量测。将机载激光雷达射出的激光照射到5m距离外的标准反射板上，利用扫描均匀性设备对激光雷达射出的光斑进行成像，通过设备软件对激光的波长、镜头和能量等主要因素进行校正处理，并对获取的光斑图像进行主动识别，最后计算出光斑的均匀性。将机载模激光雷达系统安装在地面模拟成像设备上，就能实现二维扫描，获取山体、建筑体等等目标的各点三维数据并达到均匀性扫描而后成像的目的。随后就是激光雷达系统专用量测设备获取三维数据并以图像的方式显现出来，这也考察了激光雷达对目标的成像能力。总结：在我国的各种工程项目中，测绘工作至关重要，借助激光雷达测绘技术较高的量测精度和科学化的建模理论，能够提高工程测绘的效率，促进工程的经济效益。但是，我国在激光雷达测绘技术发展上还不够成熟，在一些高精度模型的构建与数据处理方面还存在不小的瑕疵，这就需要我们付出更多的研究和实践来不断完善激光雷达测绘技术，从而推动我国工程测绘技术的良性发展。参考文献：[1]石云中.浅析激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用[J].建筑工程技术与设计,2014(5).[2]刘磊.机载LIDAR系统误差分析与检校方法研究[D].山东科技大学,2011.[3]蒙祥达,李新科.机载激光雷达技术及其在电力工程中的应用[J].广西电业,2007(9).