激光Lidar技术在测绘中应用的研究

激光Lidar技术在测绘中应用的研究

近年来，随着大型建筑物、隧道等工程的大量实施，以激光雷达为测绘手段的工程项目越来越多。据此，本文从激光Lidar的概述、其工作流程以及论述其对目标进行识别的方法这三个方面进行深入研究。研究发现，与其他测绘方法相比，激光Lidar技术的工作效率高、费用低。同时国内外研究者在工程实践以及室内模拟或现场原位实验室中，通过不断改进雷达软硬件技术，使得雷达对建筑物缺陷的检测更加精确，取得了诸多的优良研究成果。在大地、海洋、航天等领域具有广泛的应用范围价值与发展前景。

标签：激光Lidar;测绘;工作流程;目标识别

一.激光Lidar技术的概述

Lidar测绘技术中，最为重要的部分为脉冲。一束脉冲相当于一阵被Lidar系统接收的辐射，故信息的获取与接收全靠脉冲。这个过程首先要依靠雷达定位，然后用激光发射脉冲，脉冲到达测绘物体表面，在被反射回来，这样就实现了信息的采集。故脉冲射向地面并被反射，最终被lidar传感器重新捕获，这即是lidar。Lidar测绘技术与常规测绘技术相比，其突破性在于可以进行水下勘探，通过准确定位、干扰预防，加之激光的三维数据采集，可准确快速地捕捉到水下静止或运动的物体信息，故Lidar测绘是传统测绘技术创新，在以后测绘工作中将得到广泛应用。

二.激光Lidar的工作流程

1.机载Lidar通过激光测量高度

机载Lidar在通过激光测量高度时需具备以下三项条件，首先，Lidar测量的设备，它可以在飞机飞行的同时使用激光来回扫描地面，雷达系统使用的是绿光（约532nm）或近红外光（约1064nm），因为这些波长的光波对于植被的反射率很高;其次，GPS接收器用于记录飞机的海拔、XY坐标信息，以便获取Lidar反射地点的精确坐标;然后，IMU（惯性测量单元）用于记录飞机在飞行时的倾斜数据，提高精密高程测量过程中的精度;其次，计算机用于记录所有Lidar系统扫描获取的地球表面的高程信息。当然，仅求得距离是不够的，还需知道角度。

2.获取地面实际的高程信息

为获取地面点高程信息，首先通过GPS接收机获取飞机所在的海拔，然后减去光束飞行到地面所经过的距离，计算结果揭示了lidar系统使用激光测量距离的基本原理：

式中G为地面实际的高程，H为海拔。

若已知地面点高程G及基线参数等信息，忽略大气波动引起的相位延迟或对其进行模型化处理后，则可由干涉相位信息计算两次观测时目标沿雷达视线向位移，因此可以利用InSAR技術来提取地表的形变信息。

3.激光雷达遮蔽目标检测方法

目前基于激光雷达的遮蔽目标检测方法集中在两个方面， 一是利用遮蔽环境下单次观测获得的不同距离层次上的多个回波脉冲，通过对回波信号的波形分解与分析提取遮蔽目标回波信号，简称为回波信号分析的方法; 二是通过多次不同观测角度下的成像数据融合来实现遮蔽目标探测，简称为成像数据融合的方法。

三.基于特征匹配的目标检测算法

目标检测方法多种多样，本文以基于特征匹配的目标检测算法为例进行说明。该算法是将目标场景观测数据的特征与目标模型特征进行匹配，以达到检测目标区域数据点的目的。这类算法的关键是特征的构造与选择，特征不仅决定了目标的表达方法，进一步影响目标数据点的检测率和虚警率，同时还影响匹配策略的选择。

把三维目标表面上p一定大小邻域内的其他所有点均映射到（α，β）空间中，对（α，β）空间进行网格化，并计算每个网格内的映射点数量，即求映射点在（α，β）空间中的直方图，得到有向点p处的旋转图像特征。基于旋转图像特征的目标检测算法就是把目标场景中每个点处的旋转图像与目标模型中每个点的旋转图像进行匹配，如图1所示，相似度达到一定要求的就是目标点，否则为杂波点。

图1 旋转图像特征匹配示意图

四.激光Lidar技术在测绘中的应用分析

1 基础测绘

基础测绘工作主要收集数字的正射影像及线划地图等几方面数据。在收集数据时，利用三维信息开展测绘，能提高准确度。数字摄影测量数据的采集是一个繁琐且复杂的过程，而激光雷达测绘技术的利用可以为数字正射影像工作提供极大的便利，将三维坐标及时地提供给工作人员，这样可以实现测量工具与资源的有效配置，提高数据采集结果的准确性与效率。

2 大型工程测绘

现代化的建筑工程中，对数据采集的准确度与高效性要求越来越高。激光Lidar技术可以精确迅速地获得空间的三维坐标，然后依据实时拍摄的图像，利用计算机技术来构建大型的空间实体，或者是对场景建立空间三维数据模型，这样不仅可以真实再现客观事物的场景，更有助于对建筑与进行合理的测量与规

划。

3 传感设备应用

为使激光雷达的测绘效果达到最好程度、测绘精度更高，激光雷达技术能够将数字相机这类传感设备同时应用到测绘中，同时，这项技术也可以对图画的制作和线路的相关情况进行检验。例如直升机的工作原理就是应用了激光雷达技术。

结语：

随着信息化时代的到来，激光Lidar测绘技术逐步被广泛应用到各行各业。同时在三维重构技术不完善的情况下，激光Lidar因其具有较强的获取数据能力而具有提高资源开发效率的优势，在测绘技术领域具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]林扬波.高精度机载激光雷达技术在埃塞俄比亚铁路测绘中的应用 [J].铁道建筑技术，2016，01：85-89.

[2]杨 卫.机载激光雷达技术在高山区水电工程测绘中的应用[D].西南 交通大学，2016.

[3]王琳琳.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用与问题分析[D]. 长春工程学院，2015.