机载激光雷达在测绘的应用及优势

机载激光雷达在测绘的应用及优势

吴利明

陕西启祥勘测科技有限公司  陕西西安  710075

摘要：机载激光雷达是集GPS、IMU、激光扫描仪的一种激光探测及测距系统。主要应用在地形测绘、城市测绘、林业调查、地灾监测电力选线/巡线、房地一体、河湖划界方面。本文主要分析机载激光雷达如何在测绘方面应该以及它在测绘应用上的优势。

关键词：机载激光雷达；测绘；应用

机载激光雷达是将全球定位、惯性导航、激光、光学技术于一体运用在观测系统中。在测绘方面，可以快速高效的获取三维坐标信息，可以为测量成果提供精确的基础数据。而且其投入成本低，工作效率高，还可以节省人力资源。随着我国社会经济的快速发展，机载激光雷达技术在测绘方面的应用也是越来越广泛普遍，如何在应用时更好发挥优势，是值得分析探讨的。

一、机载激光雷达基本内容

（一）机载激光雷达概念

机载激光雷达（机载Light Laser Detection and Ranging，简称机载LiDAR）集成了POS系统（GPS全球定位系统和IMU惯性导航仪）、机载激光扫描仪、航空数码相机等设备的激光探测及测距系统。机载激光雷达的工作原理（如图1）是依靠主动传感系统（激光扫描仪)通过激光脉冲从发射经目标物反射到接收单元的时间延迟，来精准测定从发射点到地面的反射点的距离，从而获取探测目标高分辨率的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像技术可获取探测目标的数字成像信息，经过地面的信息处理而生成逐个地面采样点的三维坐标，最后经过综合处理而得到沿一定条带的地面区域三维定位与成像结果。随着激光雷达(Light Detection and Ranging ,LIDAR)技术的迅速发展，在各个方面都得到了很好的应用，而且相对于其它遥感技术，激光雷达技术也是遥感技术领域的一场新革命。目前激光雷达数据主要应用于基础测绘、城市三维建模和林业应用、铁路、电力等领域。机载激光雷达在过去十年里，在各界应用领域中都认同其是可以精确、快速获取地面三维数据的工具[1]。

图 1 激光雷达工作原理

（二）机载激光雷达的特点

机载激光雷达有着以下特点，第一个特点是机载激光雷达能够提供密集的点阵数据其点间距可以小于1米；第二个特点是机载激光雷达是现有的遥感技术中少有的能够穿透植被的冠层来获取地面DEM的技术；第三个特点是机载激光雷达基本上不需要地面控制，基本不需要进入测量现场；第四个特点是机载激光雷达可同时测量地面和非地面层；第五个特点是机载激光雷达的数据有绝对精度在0.30米以内；第六个特点是机载激光雷达可以24小时全天候工作；第七个特点是机载激光雷达具有迅速获取数据的能力[2]。

（三）机载激光雷达发展现状

近几年来，随着相关技术的不断进步趋于成熟，机载激光雷达技术得到了迅速发展，很多发达国家的公司和科研机构都投入了大量的人力物力和财力对机载激光雷达进行研究，并先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。例如芬兰的Terrasolid。Terrasolid中主要包括TerraModelerTM、TerraScanTM和TerraPhotoTM。其中TerraScanTM它的主要功能是根据点的坐标、光强、同一激光的首末反射值等信息将大量激光扫描测量数据进行分类。另外它可以还像AutoCAD那样利用鼠标编辑图形，然后从不同角度观察图形，TerraScanTM是该系列软件的核心，TerraModelerTM软件是用来生成和处理各种表面模型，可用来计算体积、面积，生成等高线、轮廓线，洪水淹没计算。TerraPhotoTM软件是用来处理原始数码影像的。将飞机的飞行数据文件(包括飞机位置、姿态、拍摄时间、影像排列等数据)、影像数据文件及地面数字模型文件输入系统，必要时将外控数据输入系统，该软件根据这些数据进行全自动空三平差、镶嵌，形成彩色正射影像图(DOM)。机载激光雷达在测绘市场所占的份额也是在不断扩大，它在应用领域不断拓宽。但总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和实践应用等方面与发达国家相比还是比较落后的，其激光雷达数据的处理系统现在相对来说还是不够成熟[3]。

二、机载激光雷达在测绘领域的具体应用

机载激光雷达在测绘领域具体应用如下，通过发射激光接收回波的数据量测方式来获取被测物的点位信息，同时还可以记录被测量物体的反射光强度和其纹理信息，搭载不同的载体让其适应于在不同的应用场景进行应用。例如，采用无人机激光雷达进行测绘时，只需要在测量区域内架设基站，可以自动采集数据，对采集的数据进行预处理从而得到精度较高的点云数据（点云数据是指在一个三维坐标中的一组向量几何，可能包括RGB或者Intensity），再用相关软件软件对点云进行去噪（包括双边滤波、曲率流、密度均值漂流聚类、噪声分类去噪、神经网络、曲率特征混合分类的高密度点云去噪），然后去除地面设备，做抽稀处理后导入施工线设置相应参数可以实现一键式计算；在交通测绘领域方面，也可以利用无人机机载激光雷达测量技术，特别是铁路和公路的工程设计，利用机载激光雷达技术测量得到工程模型，为线路设计人员和施工人员提供了科学正确的计算方案和数据，可以设计出更加合理的交通路线；在电力工程测绘方面也可以用机载激光雷达，对于已建好的电网线路，通过测量技术采集和处理电网沿线数据，恢复电线的实际情况，自动测量电线到地面的距离和相邻电线的间距，来计算垂取度和跨度，对危险点进行预警

[4]。

三、机载激光雷达的应用优势

机载激光雷达优势有以下几点，第一的优点是在获取数据方面，机载激光雷达可以快速获取地面数据,采集的每个激光点都带有真实的三维坐标信息,这样就能够迅速地获取DSM、DEM成果,可以更加便捷快速地获取测绘成果,而且和传统航测相比较的话,机载激光雷达工作流程是更加简化的，这样就可以节省使用成本，其工作效率也会有很大程度的提高；第二个优点是测量精度上面，机载激光雷达具有测点密度高和多重回波观测值两个特点优势，这样就可以直接获取地面离散点信息，从而减少人为误差。因为传统航测技术是通过空中三角测量,建立立体模型,在立体模型上再采用人为方式来采集地形地貌信息，这样就会导致误差大，特别是在植被比较茂盛的森林，相关工作人员需要通过估计树丛的高度才能获取地面高程模型，而机载激光雷达是可以直接穿过植被的冠层来获取地面高层模型，速度又快又提高测量精度。

四、结语：

综上所述，机载激光雷达虽然发展时间比较短，但因为其具有高精度的数据传输速度，现在已经应用在很多个领域，特别是在测绘领域，机载激光雷达与其他传统测量技术相比较而言，可以在节约成本的同时能够快速精准获取所测物体的三维坐标信息，还可以穿过植被的冠层，这是其他遥感技术所办不到的。相信在未来的测绘行业机载激光雷达可以提供更大的测量价值。

参考文献：

[1] 李涛,袁毅,黄万胜. 倾斜摄影和激光雷达技术在新型基础测绘建设中的应用——以上海张江试验区地形图升级项目为例[J]. 现代绘,2021,44(1):9-12.

[2] 陣鎌真一,宋显亮. 自动驾驶的关键技术——激光雷达(LiDAR)的基础技术、最新动态及车载技术的必要条件[J]. 汽车与新动力,2021,4(4):30-34.

[3] 王双美. 大型建筑物数字化及三维建模关键技术——评《地面激光雷达与摄影测量三维重建》[J]. 环境工程,2021,39(6):后插35.

[4] 林溪. 测绘新时代的技术趋势与乾坤——企业家畅谈遥感、北斗、激光雷达、智慧城市[J]. 中国测绘,2021(1):54-59.