摘要：本文結(jié)合作者多年的工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用在工程測(cè)繪中進(jìn)行了探討和分析。以供讀者參考。
　　
　　關(guān)鍵詞：LIDAR，工程測(cè)繪，應(yīng)用
　　
　　1前言
　　激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IDAR：該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間三維坐標(biāo)的同步、快速、準(zhǔn)確地獲取，并根據(jù)實(shí)時(shí)攝影的數(shù)碼像片，通過(guò)計(jì)算機(jī)重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)大型實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)的3D數(shù)據(jù)模型，再現(xiàn)客觀事物的實(shí)時(shí)的、真實(shí)的形態(tài)特性，為快速獲取空間信息提供了簡(jiǎn)單有效手段。
　　根據(jù)載體的不同，llDAR技術(shù)主要分地面三維激光掃描技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)兩大類，顧名思義，地面二維激光掃描系統(tǒng)的空間載體是地面，類似于傳統(tǒng)的地面近景攝影測(cè)量。它將激光掃描儀直接與數(shù)碼相機(jī)、GPS相結(jié)合，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃描成像，獲取激光反射回波數(shù)據(jù)和目標(biāo)表面影像，并在軟件支持下構(gòu)建三維數(shù)字模型和紋理的精確貼加，從而達(dá)到目標(biāo)物快速、有效、精確的三維立體建模。經(jīng)過(guò)改裝，地面三維激光掃描系統(tǒng)不但可以安置在固定設(shè)備上，也可以裝載在運(yùn)動(dòng)的汽車上，進(jìn)行連續(xù)的二維場(chǎng)景和目標(biāo)形態(tài)的空間數(shù)據(jù)采集。
　　機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)則是一款高速度、高性能、長(zhǎng)距離的航空測(cè)量設(shè)備，該系統(tǒng)由激光測(cè)高儀、GPS定位裝置、IMU（慣性制導(dǎo)儀)和高分辨率數(shù)碼照相機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的同步測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)特定方程解算處理，生成高密度的三維激光點(diǎn)云數(shù)值，為地形信息的提取提供精確的數(shù)據(jù)源。
　　
　　2激光雷達(dá)時(shí)測(cè)易的原理
　　與普通光波相比，激光具有方向性好、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，不易受大氣環(huán)境和太陽(yáng)光線的影響。使用激光進(jìn)行距離量測(cè)可大大提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性和抗干擾能力。當(dāng)來(lái)自激光器的激光射到一個(gè)物體的表面時(shí)，其中一部分光會(huì)反射回去，而被激光雷達(dá)所配備的接收器昕接收。當(dāng)儀器計(jì)算出光由激光器射出到返回到接收器的時(shí)間為2t后，那么，激光器到反射物體的距離(d)=光速(C)x時(shí)間(t)／2。
　　在LIDAR系統(tǒng)中，結(jié)合GPS得到的激光器位置坐標(biāo)信息，工NS得到的激光方向信息，就可以；隹確地計(jì)算出每一個(gè)激光點(diǎn)的大地坐標(biāo)X、Y、Z，大量的激光點(diǎn)聚集成激光點(diǎn)云，組成點(diǎn)云圖像。這就是機(jī)載激光雷達(dá)的測(cè)高原理。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈中到每秒幾萬(wàn)個(gè)脈；中，拿頻率為每秒一萬(wàn)次脈沖的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，數(shù)口相當(dāng)可觀。很多LADAR系統(tǒng)還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹冠的項(xiàng)端，其中的一部繼續(xù)向下打在更多的樹葉或枝干上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會(huì)有一
　　組多次返回的具有X、Y、Z坐標(biāo)的點(diǎn)記錄，并分層表示。利用這個(gè)特點(diǎn)，我們可以通過(guò)分類和濾波處理，獲取地面高程，以及樹高及建筑物的高度等信息。利用機(jī)載工ADAR系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達(dá)到0.15～1m，高程精度可達(dá)到10～30cm，地面分辨率甚至可達(dá)到厘米級(jí)。可以說(shuō)，機(jī)載LIDAR系統(tǒng)是為綜合航攝影像和空中數(shù)據(jù)定位而設(shè)計(jì)的新技術(shù)手段，它能為測(cè)繪工程、數(shù)字地圖和GIS應(yīng)用快速提供精確的空間坐標(biāo)信息和三維模型信息。
　　
　　3激光雷達(dá)技術(shù)在測(cè)繪中的應(yīng)用
　　3．1快速獲取數(shù)字高程模型
　　LIDAR技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的激充點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。通過(guò)自動(dòng)或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標(biāo)上的點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則二角網(wǎng)TlN，就可以快速提取DEM。由于激光點(diǎn)密度大，數(shù)目多，使得生產(chǎn)高精度、高分辨率的DEM也成為可能，因此它是解決快速進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)采集的最有效方法，其產(chǎn)品精度甚至可以滿足多行業(yè)對(duì)高程的需求。
　　3_2基礎(chǔ)測(cè)繪的實(shí)施
　　除了數(shù)字高程模型，基礎(chǔ)測(cè)繪的“4D”產(chǎn)品還包括數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字線劃地圖(DLG)和數(shù)字柵格地圖(DRG)。對(duì)于DOM和DLG兩種產(chǎn)品，其生產(chǎn)也不能缺乏高精度三維信息的支持。
　　例如：DOM是在DEM提供精確的地形信息的前提下，進(jìn)行數(shù)字微分糾正得到的。如果沒有可靠的DEM資料，傳統(tǒng)生產(chǎn)DOM方法是通過(guò)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的方法實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量作業(yè)工序繁瑣，設(shè)備要求和技術(shù)路線非常嚴(yán)格對(duì)生產(chǎn)人員的技能要求比較高；而機(jī)載激光雷達(dá)優(yōu)化技術(shù)提取的地面三維坐標(biāo)。完全滿足高精度影像微分糾正的需要，使得DOM的生產(chǎn)變得相當(dāng)容易，可以無(wú)需使用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量這種昂貴的專業(yè)平臺(tái)，在一般的遙感圖像處理系統(tǒng)中即能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。此外，高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還直觀反映植被和地物的三維信息，利用這些資源，DLG地形地物的判讀和量測(cè)更加準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)的采集變得更加容易。
　　
　　3．3精密工程測(cè)量
　　很多精密工程測(cè)量，都需要采集測(cè)量目標(biāo)的高精度三維坐標(biāo)信息，甚至需要建立精確的三維物體模型，比如：電力選線、礦山和隧道測(cè)量、水文測(cè)量、沉降測(cè)量、建筑測(cè)量、變形測(cè)量、文物考古等等行業(yè)。地面和機(jī)載LIDAR就是解決這種實(shí)際問(wèn)題的最有效手段。通過(guò)數(shù)碼像片獲取的紋理信息與構(gòu)筑物模型進(jìn)行疊加構(gòu)建三維模型，是進(jìn)行景觀分析、規(guī)劃決策、形變量測(cè)、物體保護(hù)的重要依據(jù)。
　　例如LIDAR技術(shù)為公路、鐵路設(shè)計(jì)提供高精度的地面高程模型DEM，以方便線路設(shè)計(jì)和施工土方量的精確計(jì)算。在進(jìn)行電力線路設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)LIDAR的成果數(shù)據(jù)可以了解整個(gè)線路設(shè)公共區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素情況。在樹木密集處，可以估算出需要砍伐樹木的面積和木材量。在進(jìn)行電力線搶修和維護(hù)時(shí)，根據(jù)電力線路上的LIDAR數(shù)據(jù)點(diǎn)和相應(yīng)的地面裸露點(diǎn)的高程可以測(cè)算出任意一處線路距離地面的高度，這樣就可以便于搶修和維護(hù)。
　　3．4數(shù)字城市建設(shè)
　　數(shù)字城市是21世紀(jì)以來(lái)，很多地方正在力爭(zhēng)構(gòu)建的信息化目標(biāo)。空間信息作為數(shù)字城市的基礎(chǔ)框架和平臺(tái)，是構(gòu)建數(shù)字城市的重要研究課題。LlDAR系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，提供了構(gòu)建數(shù)字城市最寶貴的空間信息資源，因此是數(shù)字城市建設(shè)的重要技術(shù)力量。數(shù)字城市還需要構(gòu)建高精度、真三維、可量測(cè)，具有真實(shí)感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺(tái)。但是采用傳統(tǒng)技術(shù)，進(jìn)行城市三維建模是精雕細(xì)琢的工藝，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影響了數(shù)字城市服務(wù)面的寬度和深度。利用LIDAR技術(shù)對(duì)地面建筑物進(jìn)行空中激光掃描或地面多角度激光掃描，可以快速獲取目標(biāo)高密度高精度的三維點(diǎn)坐標(biāo)，在軟件支持下對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建和紋理映射，多方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實(shí)施快速動(dòng)態(tài)史新，為數(shù)字城市建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源的持續(xù)性、歷史性提供了確實(shí)的保障。
　　3．5水下地形測(cè)量
　　有些LIDAR系統(tǒng)，采用了兩種不同波長(zhǎng)的激光束還可以對(duì)水底進(jìn)行測(cè)量。比如，SHOALS系統(tǒng)在采用紅光(或紅外光)測(cè)量水面的同時(shí)，用藍(lán)綠光穿透水面測(cè)量水底，通過(guò)這兩個(gè)光束的接收時(shí)間差計(jì)算水的深度，因此可以進(jìn)行大面積的水下地形測(cè)量。通常情況下，海道測(cè)量LIDAR所能測(cè)量的海水深度為50m，此一深度隨水質(zhì)清晰度的不同而變化，為航道、近海海洋、水文等行業(yè)的人士所推崇。