激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用探讨
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内容摘要：本文介绍了激光雷达测绘技术，并提出其再工程测绘中的实际应用，对今后激光雷达测绘技术的进一步发展具有重要意义。
关键词：激光雷达；工程测绘； 应用
随着上世纪80年代激光机技术的突破，推进了激光技术的进一步发展。激光雷达采取与激光测距器类似的原理和构造进行研制，其工作在由红外到紫外光谱段的探测系统中。由于激光雷达的不断改进，其重复频率快、峰值功率高、体积小、波长范围广，目前已在工程测绘的多个领域得以应用。
激光雷达测绘技术概述
激光雷达是在光频波段工作的雷达，且与微波雷达的工作原理相近，利用光频波段的电磁波向目标地点发射探测信号，然后再将接收到的同波信号和发射信号进行比较，进而得知目标的方位、距离、高度等具体位置，以及其运动状态信息，以实现对目标的跟踪、探测和识别。激光测距机是简化的激光雷达形式，在激光测距技术的基础上，实现方位配置、测量俯仰状态、自动跟踪激光目标等，以此构成完整的目标探测与跟踪激光雷达。一般情况下，激光雷达由激光接收机、激光发射机、伺服控制系统、信息处理系统、操控显示终端组成，且激光雷达可根据不同方法进行分类：如果按照发射波形与数据处理的方式，可分为连续波激光雷达、脉冲激光雷达、脉冲压缩激光雷达、脉冲多普激光雷达、动目标显示激光雷达及成像激光雷达等；如果按照安装的平台划分，则分为机载激光雷达、地面激光雷达、航大激光雷达以及舰载激光雷达等；根据完成的不同任务，分为靶场测量激光雷达、火控激光雷达、障碍物回避激光雷达、导弹制导激光雷达、飞机着舰引导激光雷达。
在实际应用中，激光雷达可以单独使用，也可与微波雷达、红外电视、可见光电视、微光电视等组合使用，让系统既能搜索到远距离目标，也可实现目标精密跟踪，在当前工程测绘中应用广泛。
激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用
2.1基础测绘
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。
2.2精密工程的测量
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。
2.3数字矿山的构建
数字矿山的建立既满足环境友好型、经济节约型社会需要，也对促进矿山可持续发展具有重要作用。近年来，我国矿业及矿业城市遇到了生存与发展的困境，而矿山生态环境、资源枯竭等问题严重，矿山系统内的功能受到局限，矿山的人力、物力、财力都有所影响。
若想解决这些问题，必须加强对数字矿山的重视。利用激光雷达数据滤波迅速提取矿区内的相关数据，建立起三维虚拟地面模型，并确定建筑物的合理区域，提取建筑物的顶面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分层组合建模、匹配融合等，实现塌陷区的生态环境与经济评价，对由于沉陷造成的土地侵蚀与裂缝进行分析，调查沉陷区的建筑物破坏情况，以及检测滑坡地质灾害等。
2.4电力传输与管道布图
在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。
2.5森林工业的应用
机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。在对数据的后处理中，独立的激光返回值可分为地面返回值与植被返回值两部分，并以此计算出更多林业相关信息，如树高、材质、树冠覆盖以及生态环境等，这些都是传统摄影测量或者地面测量无法获得的信息内容。
2.5规划城市建设
自从进入21世纪，数字电视已成为各地力争构建的信息化目标。空间信息则成为数字城市的基础平台与框架，也是规划城市建设的重要内容。通过激光雷达测绘技术的应用，可以获得高精度、高分辨率的数字正射影像与数字地面模型，为城市规划与发展提供宝贵的空间信息资源，也是构建数字城市的重要技术支持。
另外，若想构建数字城市，还需要满足可测量、真三维、高精度等要求，具有真实效果的城市三维模型是管理城市的虚拟平台。如果应用传统技术，若想实现城市三维建模，工艺比较复杂，且工作量大、工作效率低，最终效果不理想，对数字城市的服务深度与宽度有所影响。如果利用激光雷达测绘技术，对地面建筑物进行空中激光扫描或者地面多角度激光扫描，则可迅速获得高精度、高密度的三维点坐标，再加上软件的后期处理，即实现点云数据的模型构建与纹理映射，全方位构建城市三维模型，对数字城市建设的基础数据持续性、历史性提供保障。
由上可见，激光雷达测绘技术将成为未来工程测绘的发展方向，具备更多的优势。通过激光雷达测绘技术与其他测量技术的配合使用，将提高工程测绘的效率与质量。但是目前我国在激光雷达的数据处理方面技术尚不成熟，仍需进一步深入研究。
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