摘要：激光雷达技术（LIDAR）由于具有快速、简单、准确获取空间三维信息等特点，而普遍受到人们的热心关注。近几年来，激光雷达技术已经作为一项高新技术被广泛运用于工程测绘工作中。伴随着经济的发展，激光雷达技术本身也在不断发展，其在各个领域内的运用也有了新的进步。LIDAR技术在工程测绘中得到了比较广泛的应用。本文在介绍激光雷达的分类与工作原理的基础上，探讨了激光雷达技术在工程测绘中的具体应用，以供大家参考。
关键词：激光雷达技术；测绘
一、激光雷达技术的概念
激光雷达测绘技术，即IIDAR，是一种高配置高原理集成系统，是当前数码测绘技术的典型代表。激光雷达技术主要由记载GPS提供空间位置，这种技术的激光方向建立在惯性测量技术的基础上。此外，激光系统主要供给激光脉冲，由计算机系统提供高速和大规模的数据存储空间与处理能力。运用激光雷达技术可以同时快速的获得空间三维坐标。实地拍摄的数码摄影像片，在计算机的处理后，可以重现大型实体及场景目标的3D数据模型，呈现设计生活中的事物的真实存在形态，确保快速获取空间信息的效果。
机载激光雷达系统则是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS 定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实现对目标物的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度的三维激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。
二、激光雷达的分类与工作原理
人们对激光雷达的分类一般是依据激光器与探测技术进行分类，也可以根据雷达功能给予分类。依照探测技术，可以将激光雷达分成2种类型，即直接探测型与相干探测型。依据功能来划分，则可以分成跟踪、目标识别、流速测量、成像雷达与振动传感等多种雷达。激光雷达的工作原理跟无线电雷达的基本一样，均依赖于所使用的探测技术。
与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离量测可大大提高了数据采集的可靠性和抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，其中一部分光会反射回去，而被激光雷达所配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间为2t 后，那么，激光器到反射物体的距离（d）= 光速（c）×时间（t）/2。
在LIDAR 系统中，结合GPS 得到的激光器位置坐标信息，工NS 得到的激光方向信息，就可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标X、Y、Z，大量的激光点聚集成激光点云，组成点云图像。这就是机载激光雷达的测高原理。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲，拿频率为每秒一万次脉冲的系统来说，接收器将会在一分钟内记录六十万个点，数口相当可观。很多LADAR 系统还能记录同一脉冲的多次反射，激光束可能先打在树冠的顶端，其中的一部继续向下打在更多的树叶或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，这样就会有一组多次返回的具有X、Y、Z 坐标的点记录，并分层表示。利用这个特点，我们可以通过分类和滤波处理，获取地面高程，以及树高及建筑物的高度等信息。利用机载工ADAR 系统进行测高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15～1m，高程精度可达到10～30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR 系统是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS 应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。
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三、激光雷达技术在测绘中的应用
3.1 快速获取数字高程模型
通过激光雷达技术可以获取“两高”（即密度高与精度高）的数据产品，这种激光点云数据可以如实地反映出各点位间的三维坐标。因为激光点的密度大且数目比较多，这就可以让我们在实践中生产出一种精度高并且分辨率也高的数字高程模型（DEM）。为此，我们可以通过激光雷达技术对一些数据要求比较高的产品进行快速测量，以满足社会各行各业对数字高程的实际需要
3.2 基础测绘的实施
在基础测绘中，包含数字正射影像、数字线划地图以及数字栅格地图。对于数字正射影像与数字线划地图来说，其生产离不开高精度三维信息的技术支持。例如，数字正射影像就是在精确的地形信息基础上，实现数字微分纠正而获得。由于数字摄影测量工作的程序较复杂，对设计要求与技术路线也非常严格，同时对生产人员提出更高的技能要求。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。
3.3 精密工程测量
很多精密工程的测量，都涉及到测量目标的采集，并获得三维坐标信息或者三维物体模型，例如在水文测量、建筑测量、沉降测量、电力选线、文物考古、变形测量等行业中。地面激光雷达和机载激光雷达就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。例如激光雷达技术在铁路设计、公路设计中提供的高精度地面高程模型，可便于线路的设计与施工方法精确计算。在电力线路设计过程中，利用激光雷达技术的成果数据可以对整个线路有所了解，包括公共区域内的地物、地形等要素；在电路线维护或抢修时，根据电力线路中的激光雷达数据点，以及对应地面裸露点的高程，计算出任意位置线路距离地面的高度，方便维护与抢修；另外，在树木的密集区内，也可利用激光雷达估算出需要砍伐树木的面积与木材量。
3.4 数字城市建设
随着当前我国城镇化建设的大力推进，一些城市正朝着数字城市信息化目标方向前进。而空间信息就是打造数字城市之重要的框架与平台，也是建立数字城市之核心环节。激光雷达技术则能够获得一系列分辨率极高、且精读性极高的地面模型（数字），进而可以为数字城市建设提供一些非常宝贵的空间信息资源。为此，激光雷达技术可以说是当前城市建设之核心技术。
与此同时，在建设数字城市进程中需要构建出精度高、真实感比较突出的城市三维模型，这种三维模型主要是当作管理数字城市的一种虚拟平台。然而，运用传统的测量技术，构建城市三维建模，其工作量非常大，任务极其繁重，工作效率又非常低，显然得到的效果是不好的，在很大程度上直接影响了数字城市服务面的深度。在工程实践中，人们发现运用激光雷达技术可以在空中或地面通过激光多角度扫描地面的建筑物，从而能够快速、准确获知所测量目标的三维点（高密度且高精度）的空间坐标，然后再借助计算机软件，可以较好地对点云数据实施模型建构与纹理的映射，甚至可以全方位地构建出面积比较大的数字城市的三维模型；同时还能够实时、动态地更新三维模型，从而为我们数字城市的建设提供一些可靠的、持续的、真实的基础性数据源。
四、结束语
综上所述，激光雷达技术因其先进性，在我国的工程测绘中使用广泛，且在各个领域的应用中都表现出了一定的优势。激光雷达技术仍是一项正在发展中的高新技术，因此对该课题的研究具有实际性意义，因此，望本文能够达到抛砖引玉的作用，让更多专家学者深入到该课题的研究中。
参考文献：
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[2] 马江芹，谭泽立.激光雷达控制系统的设计与系统联合调节的优化[J].计算机测量与控制，2009
[3] 屈增风，靳辰飞，赵远.新型光纤激光雷达的结构理论分析与作用距离计算[J].红外与激光工程，2009
论文作者:刘金苹
论文发表刊物:《基层建设》2016年12期
论文发表时间:2016/9/27
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