激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

关键词： 军事 探测 传统 应用

激光雷达技术在数字流域中的应用探讨（共8篇）

篇1：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

激光雷达在军事中的应用

作者

摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．

关键词：激光雷达；探测；军事应用

1.引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点．

根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。

激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响．

由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．

激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光

雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至

数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动

性能显然要好得多．

任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达． 2.用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息．

例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW，显示屏幕的像素为64 X 64 元，视场内物体的图像可显示在屏幕上，每秒钟更新4 次，并用不同颜色和灰度显示物体的相对距离．这种激光雷达能对运动的装甲车辆产生实时图像，图像分辨率足以识别车辆型号．

美国雷西昂公司研制的ILR100 型砷化稼激光雷达，可安装在高性能飞机和无人机上，当飞机在120m～460m 高空飞行 时，获得的影像可实时显示在驾驶舱内的显示器上，或通过数据链路发送到地面站． 3.用于大气探测的激光雷达

现代战场的侦察不能局限于人、兵器和建筑物的测量，因为天气环境对战场也很重要，例如风力、风向、温度等都会对导弹、飞机等产生影响，尤其是核化生武器的使用更会污染战场环境．利用激光雷达则可以进行某些微波雷达所不能完成的侦测工作，其主要原理是：通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶（如烟尘、粉末等）及大气分子的作用，产生散射，探测器接收散射波并经分析、处理，可以检测大气的湿、温、风、压等基本参数，探测紊流，实时测量风扬起乃至大气中的生物战剂．

为了测得某一物理量，可根据相关物理学原理采用某一类型的激光雷达．例如，由物理学原理可知，对于同一波长的照射光，粒子直径不同，散射情况也不同．当大气中气溶胶粒子直径与照射的激光波长为同一数量级时，可以得到较强的散射信号．根据激光雷达接收到的散射信号的强度可以分析低空大气乃至同温层中气溶胶粒子的直径及密度，并可由此推得大气的能见度，以至对云团、黄沙等进行分析．

又例如，物理学知识告诉我们，大气分子在光作用下会发生极化，极化率的大小与分子的热运动（即大气温度）有关，同时极化率的不同又引起媒质折射率的不同，使大气中光学均匀性受到破坏，从而发生光的喇曼散射．因此，温度不同，喇曼散射情况不同，由喇曼散射雷达可以分析大气温度．

还例如，由于物体与雷达之间有相对运动时会产生多普勒频移现象，因此，根据发射后接收的回波频率相对于发射波频率改变的大小，可由多普勒雷达确定风速的大小．再如，若将激光雷达技术与光谱分析技术相结合，可进行战场化学毒剂的侦测，因为每种化学毒剂分子都具有特定的吸收光谱．利用差分吸收激光雷达交替发出不同波长的光，根据接收到的各种不同波长光的散射信号强度，通过对比、分

析某一波长的光波在大气中的衰减情况，就可确定大气中是否含有吸收这一波长的毒剂以及相应的浓度．其实在测得某一物理量的同时，有时也可推得其他物理量．

目前激光雷达能测得的水平风速精度小于lm / S，水平风向精度小于50 ．据称，美国将激光雷达装置在C-141 飞机上，使空投精度提高2倍以上．B-2 隐身轰炸机利用机上的激光雷达来探测机尾是否出现凝结尾流，以便向驾驶员发出报警信号．俄罗斯研制成功的一种远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地面高度等相关参数，并通过无线电向己方部队发出报警信号．德国研制的一种连续波CO2激光器，能发出40 个不同频率的激光波，根据吸收光谱学的原理可探测和识别9µm～11µm波段光谱能量的化学战剂．

4.用于跟踪及火控的激光雷达

自20 世纪70 年代末，激光雷达开始用于坦克、火炮、舰艇和飞机的火控系统，尤其是激光自动跟踪雷达，以其精确测距、精确测速、精确跟踪的优点，获得军事家们的青睐．

根据不同的需要可以有精度更高的不同类型的激光跟踪雷达．例如美国白沙导弹靶场的CO2激光雷达系统，能同时进行成像和距离的跟踪测量．可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标，也可在多个目标之间重新确定目标．

美国空军在毛伊岛空间监视站利用特克斯特朗公司制造的激光雷达进行了试验，不仅探测到距离达24km 的直升机，而且确定了直升机旋翼桨叶的数目和长度、旋翼的间距和转速一些发达国家已制定了利用激光雷达对轨道上的卫星进行高精度位置和速度跟踪，并提供空间飞行器的尺寸、形状和方位信息的研究计划．

例如美国“火池”激光雷达采用1.2m 直径的巨型发／收望远镜、使用平均发射功率为千瓦级的连续波CO2气体激光器，工作波长为10.6µm，采用外差探测方式，作用距离为1000km，跟踪精度达1µrad ．在一次试验中，“火池”获得了从800km 外发的亚轨道探测火箭和充气的再人飞行器诱饵的靶场多普勒图像．

但从目前情况看，若利用地面激光雷达进行空间监视，即对卫星进行精密跟踪、测量或用于洲际弹道导弹防御，由于目标识别距离在1000km 以上，所以激光雷达系统庞大复杂、造价昂贵．因此，人们正探讨利用激光雷达与被动红外系统相结合的方法进行弹道的估算工作． 5.用于水下探测的激光雷达

人们过去认为高频电磁波不能穿透海水，所以声纳是传统的水中目标探测装置，根据声波的反射和接收对目标进行搜索、定位、测速，但声纳体积大，重量一般在600kg 以上，有的甚至重达数十吨．经过长期研究，人们发现波长为0.46µm～0.53 µm 的蓝绿激光能穿透几百到几千米的海水．

1981 年，美国在圣地亚哥附近海域12km 高度的水面上空与水下300m 深处的潜艇间成功地进行了蓝绿激光通信试验，这不仅打开了水上与水下联络的激光通道，也使激光的水下探测成为现实．利用激光雷达探测水中目标，是利用激光器发射大功率窄脉冲蓝绿激光，并接收反射的回波来探测水下目标的方位、速度等参数，既简便，精度又高．它具有足够的空间分辨率来分辨目标的尺寸和形状．

例如美国卡曼航空航天公司研制的用于探测水雷的“魔灯”激光雷达，能迅速探测水中目标，并自动实施目标分类和定位．1991 年海湾战争期间，“魔灯”激光雷达机被部署到海湾地区，成功地发现了水雷和水雷锚链．目前“魔灯”激光雷达已装备在海军航空兵的直升机上．美国诺斯罗普公司研制的机载水雷探测系统具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24 小时工作。

瑞典也研制了“手电筒”机载激光雷达，继而还研制了“鹰眼”激光雷达．从目前研制的情况看，机载水下成像激光雷

达由于激光脉冲覆盖面积大，其搜索效率远远高于非成像激光雷达，而且可以显示水下目标的形状和特征，便于识别目标．因此，水下成像激光雷达更受到军事家们的重视，还被用作军事领域的海洋测绘工具． 6.用于其他方面的激光雷达

激光雷达还可广泛地应用于武器鉴定、指挥引导、障碍回避等许多方面．例如，在导弹发射初始段和目标低飞时，由于仰角太小，一般的微波雷达不易探测，而用普通的光学测量设备又不能实时输出数据，即使给出，数据精度也不够，因此，仅利用微波雷达不易进行弹丸的全程鉴定，激光雷达能在一定程度上弥补这方面的不足，可用于导弹发射初始段和低飞目标的测量、目标姿态的测定、再入目标和测量与识别．

美国研制的靶场测量激光雷达

（PATS）曾成功地跟踪了70mm 火箭弹和105mm 炮弹的飞行全过程．据称，利用9～10 台PATS “接力”测量巡航导弹运行的全过程，测量精度可达10cm，测角精度可达0.02mrad，作用距离为100m ～4 000m.直升机在进行低空巡逻飞行时极易与地面小山或建筑物相撞．美、德、法等国研制了用于地面障碍物回避的激光雷达．例如，美国研制的直升机超低空飞行障碍系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器，可将直升机前方的地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器和头盔显示器上，以保障安全飞行．德国研制了一种固体1.54µm 成像激光雷达，视场为32ox32o。装在直升机上能探测300m～500m 距离内直径1cm 粗的电线．英、法联合研制的“克莱拉”激光雷达是一种吊舱载的采用CO2激光器的雷达，安装在飞机和直升机上不仅能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示活动目标等功能．

综上所述，由于激光雷达独特的物理性能，在军事领域有着广阔的应用前景．但是，由于激光自身传输中的缺陷、大功率激光器的研制及其相应配套光电设施和技术的限制，目前激光雷达还有许多有待改进的不尽人意之处．我们相信，随着科学技术的发展，激光雷达在未来的军事领域中将会放出更亮丽的奇光异彩． 参考文献

(1)史通源，李树河．物理学与高新技术．重庆：重庆大学出版社，1994

(2)陈心中，徐润君，刘海．军事高技术教程．北京解放军出版社，1995

(3)杨洋．激光雷达在大气测量中的应用．现代物理知识，2001 , 3

篇2：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

公路拓宽勘察设计不同于新线勘察设计，是对现有公路进行向一侧或两侧进行拓宽改建设计，其设计线路一般位于现运营公路路面范围内，设计路线需对现有公路路面进行纵向高程拟合，对路线的纵断面和横断面涉路面部分有较高的精度要求。

常规纵、横断面测量常用的方法有水准仪-皮尺法、GNSSRTK方法、全站仪极坐标法、经纬仪视距法等，都需要测量人员上路作业，存在一定的交通安全风险(尤其高速公路)，并且不惧作业效率。

研究既能保证测量精度，又能保证作业安全的新方法十分必要。本文探讨车载激光雷达技术在公路拓宽设计定测阶段纵、横断面测量中的使用方法。

1 车载激光雷达技术简介

车载激光雷达技术是在机动车上装全球导航卫星系统(GNSS)、惯性导航系统(INS)、高精度激光扫描仪、高分辨率CCD相机和航位推算系统等先进的传感器和设备，在车辆的高速行进之中，快速采集道路及道路两旁地物的空间位置数据和属性数据，如：道路中心线或边线位置数据和属性数据、路(车道)宽、桥(隧道)高、交通标志等。激光扫描仪获得地面三维信息，差分全球卫星导航系统(DGNSS)实现动态定位，INS系统实现姿态参数的测定，CCD相机获得地面影像。

激光雷达扫描测量的基本原理是几何上的坐标转换原理。激光扫描仪记录激光脉冲经地面反射到接收的时间延迟，根据已知的激光传播速度，精确测量出发射点到地面目标物反射点的斜距，结合激光发射器的高度和激光扫描角度，通过内置微计算机计算出反射点与扫描仪的瞬间相对空间位置关系。

同时定姿定位系统(POS系统，由GNSS系统和INS系统组成)提供载体在空间的姿态：侧滚角、倾斜角、偏向角和在大地坐标下的空间位置信息。结合扫描仪的测量信息，GNSS的位置信息，INS的姿态信息，可以求出每一个激光点的三维坐标，从而获得点云的三维坐标。

对比常规测量技术，车载激光雷达技术有如下优点：

1)成果全面准确。有效融合其他来源数据;

2)高效性(能以时速60km/h的速度完成外业测图工作);

3)低成本(只需3人即可完成测成图工作，大大降低人工成本和作业成本);

4)安全舒适。

2 在公路拓宽勘测中的应用

车载激光雷达技术在公路拓宽勘察设计中主要用于数据采集，包括获取地面点的平面坐标和高程，构建高精度的数字地面模型(DTM)，从中提取路线纵、横断面数据和结构物空间三维坐标。下面将探讨其在公路拓宽勘测中的应用方法。

2.1 施测方案

2.2 施测要点

2.2.1 七参数求取

GNSS的坐标系统是基于WGS-84框架下的大地坐标，车载激光雷达系统获取的DGNSS动态数据和惯性测量单元(IMU)数据解算，通过Pos PACMMC软件进行车载轨迹数据的差分处理，都需引入基站已知的精确的WGS-84坐标，得到精确轨迹数据，再根据轨迹数据解算得到的点云数据也是WGS-84坐标的。而一般工程里采用的是北京54坐标系(克拉索夫斯基椭球体)或者西安80坐标系(IAG75地球椭球体)。因而在基础测量阶段，采用布尔沙七参数模型进行该项目WGS-84坐标与工程坐标系的七参数求取。

2.2.2 基站架设和靶标测量

POS系统是车载激光雷达系统的核心器件，它的定位定姿精度直接决定了整个系统的定位精度。DGNSS精度也就直接影响到点云精度。DGNSS际上是把一台GNSS接收机放在位置已精确测定的点上，组成基准站，基准台接收机通过接收GNSS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GNSS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。

因而，基站应选择在受干扰影响最小的地方;若测量范围过长时，需考虑分段施测。现今，CORS(连续运行参考站系统)网在各省市已建成和使用，也可以使用CORS站作基站，但须在七参数解算中采用CORS站数据。

激光扫描误差和系统安置误差以系统误差形式存在，可以通过系统参数设定来降低误差，激光点云精度取决于POS定位精度。有关试验证明，POS定位的高程精度要好于水平精度，因为在水平方向行驶，定位误差中水平方向随机误差占主要部分，高程方向系统误差占主要部分。可以采取布设靶标控制点形式进行点云平差校正来提高点云精度，靶标测量可采用GNSSRTK测图根法测量其B、L、H大地坐标。靶标应布设在路线水平和垂直方向的拐点处，以降低平面高程误差。

2.2.3 测定和检校

施测之前，在特定的检校场完成设备的检校，检校目的是为了测定GPS观测相位中心与激光测距仪原点的偏差、数码相机的视准轴初始值及惯导系统三个角度姿态的初始值(设备安装的翻滚角、俯仰角和偏航角)。

2.3 数模建立

数字地面模型(DTM)在公路勘察设计中的应用主要集中在纵、横断面和三维公路辅助设计提供基础。点云数据进行校正、噪音点剔除等处理后，得到精确的点云三维坐标，可以作为DTM的数据源。公路拓宽勘察设计需建立一个仅表现地貌变化高程模型，需对信息数据丰富的点云进行筛选。可以分两步建立DTM。

1)通过Trident Analyst软件对公路特征矢量线(行车道白线、分隔带外测边缘、路面边缘等)进行提取。

2)采用常规测量技术对路面外地形进行具有针对性的碎部测量(主要包括路堑坡底、高边坡坡顶和坡底及激光扫描盲区的测量)，检核路外点云数据，以一定密度提取未所干扰的点云数据。

完成以上两步，采用纬地道路设计软件对路面特征矢量线和路堑、高边坡的坡顶、底线进行约束，建立精确地DTM，从中提取路线的纵、横断面数据，如图2所示。

2.4 应用实例

车载激光雷达测量技术已成功应用于浙江省杭州(红垦)至金华高速公路改扩建工程中，该项目全长150.8公里，共耗时4天完成对全线(包括互通、枢纽和服务区)进行车载激光雷达外业扫描测量。

笔者在该项目两侧硬路肩使用GNSSRTK进行一定间距的高程测量，将实测高程值与DTM(仅路面部分)对应的高程值进行检验，计算点云高程精度与GPSRTK的标准偏差。检查20公里，合计80处，具体精度统计如表1。

标准偏差计算公式(贝塞尔公式)为：

式中Hi为i对应的DTM高程值，hi为i对应的GNSSRTK测量值。

根据公式1)计算得到标准偏差为0.027m。从表1可以看出DTM高程较实测数据基本为负较差，存在系统误差，可以对点云数据进行加常数改正，常数采用数学平均值计算，为0.25m，加常数改正后，计算得出标准偏差为0.01m。

路面部分的DTM通过特征矢量线上的点云数据建立，其高程精度能够反映点云高程精度。加常数改正后，其标准偏差能达到0.01m，说明车载激光雷达扫描测量得到的点云高程绝对精度基本能达到采用GNSSRTK测量得到的高程绝对精度。

因为靶标测量也是采用GNSSRTK测量得到，点云数据是基于靶标校正后取得的，所以点云的高程绝对精度取决于靶标绝对精度。提高并保证靶标测量精度，车载激光雷达技术是能够满足公路拓宽勘测精度要求的。

3 结语

随着社会经济高速发展和公路网络化的形成，公路改扩建项目开始渐增。使用车载激光雷达技术进行拓宽勘测工作，不仅降低外业测量工作量，降低了安全风险，还提高了作业效率，有着常规测量技术无法比拟的优势。

但它也存在一些局限，如存在测扫盲区、无法穿透茂密树冠等，在勘测中，不能完全依赖其点云数据，还需结合常规测量技术进行一些外业工作。车载激光雷达技术能提供公路两侧实景三维地理信息数据，在勘察设计中，还可以利用其成果，进行一些路面裂缝检测、交通标识牌调查等。

参考文献

[1]中交第一公路勘察设计研究院.JTG/TC10-2007公路勘测细则[S].北京:人民交通出版社, 2007.

[2]李德仁.移动测量技术及其应用[J].地理空间信息, 2006.

[3]李清泉, 李必军, 陈静.激光雷达测量技术及其应用研究[J].武汉测绘科技大学学报, 2000.

[4]李鑫.车载移动测量系统误差分析与检校方法研究[D].河南:解放军信息工程大学, 2012.

篇3：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

【关键词】激光；雷达；测绘；技术

激光雷达测绘技术，即Lidar，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。

1.激光雷达测绘技术的原理

激光雷达测绘技术是结合了全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）的系统，可以用来获取数据来源，并呈现清晰的DEM。通过密切配合，能精确的区分和重现指定激光速在物体上留下的击打痕迹。这种技术被普遍运用在地面数字高程模型的获取（DEM）、水下DEM的水文LIDAR系统等领域。激光具有精确的测量效果，测距精确度可以达到4cm之内的效果。Lidar系统的高精度不但包括单纯激光作用，还需惯性测量单元（IMU）三者共同发挥作用。

Lidar系统含有单束窄带激光器（1个）和接收系统（1个）。激光器工作的过程主要是：在脉冲的产生和发射后，迅速击打物体表面，发射到原处，最后由接收器处理。光脉冲发射出之后直到发射原地时所用时间均有接收器进行精确的测量和统计。因为光脉冲凭借光速传播，所以，接听器可以准确记录下一个光脉冲发射之前的上一次光脉冲所用时间。因为光速是已知的，传播时间可转换成测量距离。

2.激光雷達测绘技术在工程测绘中的应用

2.1快速获取数字高程模型

激光点云数据是激光雷达技术中特点相当明显的数据产品，它产生的数据产物密度和精度都比较高，且能快速清晰的显示点位的三维坐标构架。经人工交替操作或自动运行，将人放射到地面植物中或建筑物之类的地形之外目标上的点云统一分类、滤波或清除，之后构建二角网TIN，就能及时得到DEM。因为激光点密度非常大，数目比较繁多，DEM的生成也成为了现实。

2.2实现基础测绘

基础测绘的产品主要有数字高程模型，还包括数字正射影像（DOM）、数字线划地图（DLG）和数字栅格地图（DRG）。无论是上述哪种产品的运行，都需要高精度三维信息的协助和引导。数字摄影测量操作起来很复杂，设备的前期准备及技术规划方案都相当严格，要求技术工作人员有熟练的操作水平；在机载激光雷达技术处理下得到的数据和三维坐标，均能达到高精度影像微分纠正的需要，但是DOM的生产变得越来越简易化，不再依靠数字摄影测量，在一般的遥感图像处理系统中即能实现规模化生产。

2.3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。

2.4精密工程测量

很多精密工程测量，都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息，甚至需要建立精确的三维物体模型，比如：电力选线、矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量、建筑测量、变形测量、文物考古等等行业。地面和机载LIDAR就是解决这种实际问题的最有效手段。通过数码像片获取的纹理信息与构筑物模型进行叠加构建三维模型，是进行景观分析、规划决策、形变量测、物体保护的重要依据。

例如LIDAR技术为公路、铁路设计提供高精度的地面高程模型DEM，以方便线路设计和施工土方量的精确计算。在进行电力线路设计时，通过LIDAR的成果数据可以了解整个线路设公共区域内的地形和地物要素情况。在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材量。在进行电力线抢修和维护时，根据电力线路上的LIDAR数据点和相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就可以便于抢修和维护。

2.5进行城市数字化建设

很多地方在21世纪都在力争构建信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台，是构建数字城市的重要研究课题。LlDAR系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像，为城市提供了最宝贵的空间信息资源，是数字城市建设的重要技术力量。数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测，具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术，进行城市三维建模是精雕细琢的工艺，工作量很大，效率非常低，而且效果并不好，影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用LIDAR技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描，可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标，在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射，多方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态史新，为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。

2.6水下地形测量

一些激光雷达技术采用了两种不同波长的激光束对水底进行测量。比如，SHOALS系统在采用红光（或红外光）测量水面的同时，用蓝绿光穿透水面测量水底，通过这两个光束的接收时间差计算水的深度，因此可以进行大面积的水下地形测量。通常情况下，海道测量Lidar所能测量的海水深度为50m，此一深度随水质清晰度的不同而变化，为航道、近海海洋、水文等行业的人士所推崇。

2.7数字矿山的构建

当前矿山以及依附矿山发展的城市遇到了很大的麻烦，环境由于过度的开采直接导致了环境问题的出现，再者过度的开采面临着严峻的资源枯竭，此外还要考虑市场的近期状况，考虑矿山的内部环节以及人、机、料、法、环方面的影响。当前的有效方式就是加强数字矿山的建设，从多方位多角度去看待问题，以达到根治的目的。数字矿山就是通过运用激光雷达技术快速采集整个矿山的数据，与此同时构建三维模型更好的表现其形式，因为每一部分的构成不同，建模时所考虑的侧重点也不同。一般情况下，应分层构建，同时进行多方位的评价，一般情况主要是进行环境、经济型、自然灾害等方面的评价。如此一来，可以实现高效的反馈数据，连续二十四小时不间断的提供数据，对于整体的模型构建的清晰合理，此外可以预测评估未来可能发生的事故，能帮助我们防患于未然。

2.8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。■

【参考文献】

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[2]沈蔚，王林，王崇倡，等.基于LIDAR数据的建筑三维重建[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2011（3）.

篇4：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

近年来, 我国电力行业逐步加强建设力度, 电网改造也在不断进行。架空输电线路的勘测设计已经成为电网建设的重要内容。随着机载激光雷达测量技术的不断发展以及完善, 其以强大的优势在电力行业输电线路测量工程中逐渐得到广泛应用, 并取得了较好的应用效果。

2 机载激光雷达系统组成

机载激光雷达系统通常主要由以下四部分组成:激光扫描仪、飞行平台、定位与惯性测量单元以及控制单元。飞行平台可以选用固定翼飞机、动力三角翼及氦气艇等。定位与惯性测量单元则由惯性测量装置以及差分GPS (DGPS) 等组成。

3 机载激光雷达的工作原理简介

激光雷达的基本原理系通过采用激光器向被探测目标发射激光脉冲, 经过被探测目标的反射或散射后, 激光脉冲返回激光器, 通过对返回激光脉冲进行分析来探知被探测目标。如图1所示。

激光雷达使用的是由激光器发射的红外线, 或可见光、紫外光。激光是以3×108m/s的速度传播的。当仪器计算出光由激光器射出并返回到接收器的时间2t后, 那么激光器到反射物体的距离=光速 (c) ×时间 (2t) /2, 即距离=ct, 再结合激光扫描仪的姿态数据, 即可得到测点的三维坐标。已知空间点Os的坐标 (Xs, Ys, Zs) 及该点到地面点P (X, Y, Z) 的距离, 则地面点P点的坐标和高程很容易得到。

如图2、图3所示机载激光雷达数据采集及数据成果。

4 机载激光雷达的特点

(1) 可以24h全天候工作。激光雷达是主动探测, 不受光照的影响, 可以全天候工作。

(2) 能够穿透植被的缝隙, 同时测量地面点和非地面点。激光波长较短, 可以穿透植被叶冠缝隙, 形成多次回波, 获取的数据信息更丰富。随着传感器技术的发展, 目前的Li DAR全波形数字化仪最多可以获得32次的点云回波, 获得更加丰富的三维结构信息, 如图4所示。

(3) 可直接获取目标的三维坐标。获取数据速度快、精度高, 能够探测细小目标物体。相对于传统摄影测量, 数据获取速度大大提高, 并且获取数据精度较其他航测技术要高。激光的波长较短, 能够探测细小的目标, 如电力线, 而传统的摄影测量和雷达都不能够探测到细小的电力线。由于激光束具有穿透植被缝隙的作用, 且激光可以直接打到地面上, 因此可以获取精确的地物垂直结构信息和精细三维地形信息, 解决传统的摄影测量手段在山高林密地区无法获取高精度DEM的难题。

5 激光雷达测量技术在输电线路测量中解决的主要问题

(1) 实时显示地物的三维坐标及高程数据;

(2) 自动输出拟定路径的平断面图, 并实时显示线路中线及左右边线断面;

(3) 自动量取线路的交叉跨越高度;

(4) 实时显示和输出塔基断面图;

(5) 线路走廊信息统计分析 (数量、面积、高度、长度等) 。

6 与传统航测比较机载激光雷达的优越性

尽管基于航空摄影测量的选线手段相对于人工选线来说是一项较大的技术突破, 但是它仍然存在着作业流程复杂、外业工作量大、平断面精度不高和数据不直观、软件平台不易用等缺点, 从而导致工程设计效率低、工期长。与传统航空摄影测量优化选线技术相比, 机载激光雷达测量技术在输电线路优化选线设计业务中很多方面具有明显优势, 主要表现如下:

(1) 机载激光雷达技术属非接触主动式测量, 直接获取地面三维坐标。激光雷达测量技术获取的激光点云数据是三维的, 数据精度高, 地形细节表现更好。

(2) 植被穿透力强, 高程精度高于平面精度。平断面精度断面点高程误差通常在0.5m以内。

(3) 不受太阳高度角影像。因此, 作业时间的自由度大。

(4) 外业控制点布设量很小。激光雷达测量技术利用机载GPS和IMU形成的POS系统联测, 只需极少的外业布控, 通常几十公里一个布控点。

(5) 外业调绘工作量小。激光雷达测量技术获取的信息更丰富, 处理得到的高精度、高分辨率的DEM数据、DOM数据以及激光点云数据, 使得对地形地物的判读、空间信息的量测 (面积、距离、角度、坡度等) 与获取更加准确和便捷, 有利于在选线过程中对一些重要地物的避让, 譬如公路、村庄、规划区、庙宇、树木、矿区等, 大大减少外业调绘工作量。

(6) 平断面图采集效率高。基于激光雷达测量技术, 线路断面可从DEM数据中自动提取, 平面数据可通过DOM进行快速人工采集, 一些诸如房高、树高、塔高等信息则利用激光点云数据自动提取, 避免了传统航测作业中内业人员逐点进行立体量测的繁琐过程, 与航空摄影测量优化选线技术相比, 应用机载激光雷达优化选线技术进行平断面采集作业效率提高了50%以上。

(7) 机载激光雷达路径优化选线平台简单易操作。无需配备航空摄影测量所需的专业立体观测设备, 可非常方便地安装在便携机上, 设计人员可在野外现场进行选线, 并根据即时断面数据进行预排杆, 大大提高改线作业效率。

7结语

机载激光雷达测量技术是继全球定位系统以来在遥感测绘领域的又一场技术革命。作为一项先进的三维航空遥感技术, 机载激光雷达测量技术具有快速获取高精度激光点云和高分辨率数码影像的优点。实践表明, 随着其数据处理技术以及相应的行业应用平台的逐步完善和成熟, 机载激光雷达技术在输电线路测量中的应用将越来越发挥其独特的技术优势。

摘要：城市化进程的加快离不开电力系统的支持, 为了确保社会多个领域的运行与发展, 就必须加强我国电网的建设力度。机载激光雷达测量技术可以快速对线路走廊进行高精度三维测量, 直接采集线路走廊高精度激光点云和高分辨率航空数码影像, 进而获得高精度三维线路走廊地形地貌及地物的精确三维空间信息, 从而为输电线路设计提供高精度测量数据成果。本文将浅谈其在电力线路勘测中的应用。

关键词：机载激光雷达技术,电力线路勘测,应用

参考文献

[1]文华.基于机载激光雷达技术的电力线路测量研究[J].科技资讯, 2015 (09) :35~36.

[2]张芳宁.基于机载激光雷达的输电线路优化技术研究[J].科技资讯, 2011 (06) :128.

[3]张晓东, 窦延娟, 刘平, 等.机载激光雷达技术在电力选线工程中的应用[J].长江科学院院报, 2010 (01) :26~28.

篇5：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

【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。

1.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。

2.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

2.1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。

2.6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。

【参考文献】

[1]朱筱茵.基于激光雷达的数字化精密测量技术研究[J].长春理工大学：光学工程，2010.

篇6：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

1 激光雷达测绘技术概述

1.1 激光雷达测绘技术的原理。

激光雷达测绘技术是由GPS和INS共同组成的系统, 其主要用途是获取数据来源, 并使清晰的DEM得到实现, 各种技术的密切配合可以对激光在物体上留下的痕迹进行清楚的制定。同时, 地面上能够完成的效果现在已经可以在水下进行成功的应用, 这些技术都需要依靠激光进行探测和测量。因为激光本身的测量功能是高精度的, 可以实现不足4cm的精确度效果, 但是激光雷达测绘技术不仅依靠单纯激光的作用, 还需要惯性测量单位共同发挥作用。激光雷达测绘系统中含有一个单数窄带激光器和一个接收系统, 其中激光器可以实现脉冲的产生与发射, 然后对物体表面进行迅速的击打, 并将其发射回原处, 最后由接收器进行处理。由接收器对光脉冲发射的实践进行精确的统计, 因为光脉冲是利用光速进行传播的, 所以在下一个光脉冲发射之前, 上一次脉冲的时间已经被完整的记录下来了。

1.2 激光雷达测绘技术分类。

激光雷达主要是指在光频波段的雷达, 和微波雷达的工作原理比较相近, 都是利用光频波段电磁波将探测信号发送给目标地点, 再将发射信号和接收到的同波信号作比较, 这样就可以得到目标的距离和方位等信息, 这样一来就可以实现对目标的跟踪和识别。激光测距机是激光雷达的一种简化形式, 主要是指在激光测距技术的基础上, 对方位配置、自动跟踪目标等任务进行实现, 这样就能够构成比较完成的目标探测, 对激光雷达进行跟踪。一般来说, 激光雷达、激光发射机、激光接收机等系统可以按照不同的方法进行分类, 从安装平台来看, 可以将其分成地面、机载、航大、舰载等几种不同的激光雷达;从完成的不同人物上来看, 可以将其分成靶场、火控、障碍物回避、导弹制导、飞机着舰等几种不同的激光雷达。激光雷达具有非常强的实用性, 设备在运用过程中也非常方便, 并不是所有技术在应用过程中都需要多样的配合, 有时也可以是单独的。在实际生活中我们经常见到的都是组合的形式, 例如激光电视、红外电视等。

2 激光雷达技术在工程测绘中的应用

2.1 基础测绘。

基础测绘主要包括数字线划地图、数字正射影像以及数字栅格地图等部分内容, 其中, 数字正射影像、数字线划地图的生产需要高精度三维信息的支持。例如, 在精确地形信息的基础上, 数字正射影像可以实现数字的微分纠正, 因为数字摄影测量的工作程序非常复杂, 同时对技术路线、设计要求也比较严格, 还会对生产人员的技能提出更高的要求。而机载激光雷达技术能够提供的地面三维坐标正好可以对这种高精度影像微分纠正的要求进行满足, 这样一来数字正射影像的生产就会变得更加容易, 其生产过程不再需要对数字摄影测量平台的使用, 不仅可以极大的降低生产成本, 同时还能在遥感图像处理系统中对规模化生产进行实现。

2.2 精密工程测量。

多数精密工程在测量工作中都会涉及到对测量目标的采集, 同时还能得到目标的三维物体模型和三维坐标信息, 例如在建筑、水文、沉降等领域测量中的应用。地面激光雷达和机载激光雷达都能对这些问题进行很好的解决, 通过数码相片得到的文理信息, 与建筑模型叠加, 这样就可以构成一个完整的三维模型, 进而有效的实现景观规划分析、规划决策等任务。

2.3 构建数字矿山。

数字矿山多数情况下对经济、环境等方面的要求都会比较严格, 这主要是为了响应国家可持续发展的政策。目前依靠矿山发展的城市面临着巨大的麻烦, 因为过度开采导致很多环境问题的出现, 加上面临着严重的资源枯竭等问题, 同时还要对市场的近期情况、矿山内部环节进行充分考虑。上述各种因素都无时无刻不在制约着矿山城市发展的进程。当这些问题真实的摆在我们面前时, 我们能做的就是积极寻找解决问题的方法。数字矿山建设是一种有效的形式, 可以实现多方位考虑问题, 对问题进行根治。数字矿山实际上就是利用激光雷达技术针对整个矿山的数据进行采集, 并构件三维模型, 将每部分的构成在建模过程中充分考虑进去, 一般来说会采用分层构建的形式, 并展开多方位的评价。这种方法的优点在于可以对数据进行高效的反馈, 并可以达到连续二十四小时不间断的提供数据, 保证所构建的模型是清晰合理的, 同时还能对未来可能发生的事故进行预测, 从这个角度来看, 还能起到预防事故发生的目的, 以往的模式得到了很大的改善。

2.4 电力传输与管道布图。

在直升机平台中工作的激光雷达系统在传输线路测量中最适用, 因为直升机可以沿着管道或者电力线传输的路线飞行, 与固定翼飞机相比, 这种方式可以根据实际需要随时对高度与速度进行调整, 这样就可以得到更加精确的数据和信息。

2.5 城市规划建设。

随着科学技术的快速发展, 现在我们已经成功跨入一个崭新的时代之中, 21世纪城市不断朝着数字化方向迈进, 而城市要想在规划建设中实现数字化建设的目标, 就要认识到信息立体化建设的重要性。激光雷达技术的应用可以使整体技术得到全新的提升, 使得精度化和分辨率更高, 这对于城市整体模型建设效果的呈现来说要好得多, 同时也可以为城市建设提供关键资源, 对城市整体规划和布局起到了极大的推动性作用。

结束语

综上所述, 近年来的发展也可以说是人类历史上前所未有的跨越式发展, 随着社会经济的快速发展, 生活也得到了不断的进步, 人们将更多的精力放在自己的衣食住行上, 对各方面的标准与要求也在不断提升, 这就需要相关企业不断提升自己, 积极引进先进的技术手段对人们的各种要求进行满足。激光雷达测绘技术就是一个非常好的例子, 它在测绘领域中获得了非常大的成功, 相信测绘领域在未来的发展一定会取得更大的进步。

参考文献

[1]黄慧敏, 王晏民, 胡春梅, 王国利.地面激光雷达技术在故宫保和殿数字化测绘中的应用[J].北京建筑工程学院学报, 2012 (3) :33-38.

[2]杨志世.浅谈电力工程测绘技术在工程施工中的研究与应用[J].黑龙江科技信息, 2011 (29) :254.

[3]骆社周, 习晓环, 王成.激光雷达遥感在文化遗产保护中的应用[J].遥感技术与应用, 2014 (6) :1054-1059.

篇7：激光雷达测绘在工程测绘中的应用

关键词：工程测绘；激光雷达测绘；应用

引言

在过去，我国工程测绘工作所应用的均为传统测绘技术，传统技术对于测绘工程可以提供一定程度的帮助，但效果并不是十分明显，同时，在长期的应用过程中，传统测绘技术的劣势也开始逐渐显现，因此，将新的技术应用到工程测绘中开始变得迫不及待。激光雷达测绘在工程测绘中的应用具有很大优势，大量实践证明，这一测绘技术的应用对于测绘效率的提高以及测绘结果的准确性都十分重要。

一、 激光雷达测绘原理及分类

对激光雷达测绘技术的了解是保证其应用过程能够顺利实现的主要手段，同时也是工作人员必须具备的一项基本素质。总的来说，在对激光雷达进行分类时，可以根据激光器以及探测技术两个角度入手，同时也可以按照其功能对其进行分类，无论哪种分类方式都是工作人员必须要了解的。随着科学技术的不断发展，我国在激光器的研究方面已经取得了很大程度的进展，同时，国内激光器的类型也得到了拓展与增加，这能够为工程测绘领域提供重要的支持。在探测技术方面，激光雷达可以分为直接探测与想干探测两种类型，上述两种类型在功能以及应用手段方面均存在差距，在具体应用过程中，工作人员一定要认识到两者之间的不同。

二、 激光雷达测绘关键技术

对激光雷达测绘关键技术的了解能够为工作人员对其应用过程提供参考。总的来说，激光雷达测绘关键技术主要包括发射机技术、空间扫描技术、终端处理技术以及高灵敏度接收机技术几种，主要体现在以下方面：

（1） 对发射机技术的分析。发射机技术在激光雷达测绘技术中属于一项关键技术，就目前的情况看，激光雷达发射机选择的光源主要是气体激光器和半导体泵浦固体激光器等。其中半导体激光器所包含的工作物质很多，且体积较小，激励方式有电泵式、电注入式和高能电子束。

（2）对空间扫描技术的分析。扫描方式分为扫描体制和非扫描体制，目前国内多采用扫描体制。应用最多的是机械扫描方式，扫描频率很高，能用不同机械结构得到不同扫描图样。二元光学式新兴重要分支，但目前工程应用还不成熟，扫描角度小，透过率也较低。

（3）对终端信息处理技术的分析。该处理系统不仅要同步协调控制各个传动结构、扫描机、激光器和各个信号处理电路，还要处理从接收机送出信息，目标距离信息要努力获取，同时还要完成录取、产生及处理重构系统的三维图像数据。目前设计该系统主要采用计算机和大规模集成电路完成，用FPGA技术实现测距单元，同时还要采用精密测时的技术等。

（4）对高灵敏度接收机设计技术的分析。接收单位由光电探测器、光学系统和回波检测处理电路等等组成，设计基本要求是：高回波探测概率、高接受灵敏度以及低的虚警率。工程应用中，要合理提高接收机的灵敏度来提高激光测距机性能。激光接收机核心部件是探测器，一定要合理选择使用探测器。由于雪崩光电二极管有可靠性好、体积小、内增益高等优点，首选用在工程中。

三、激光雷达测绘技术在工程测绘中应用策略

将激光雷达测绘技术应用在具体工程测绘领域，对于测绘结果准确性的保证以及测绘效率的提高具有十分重要的作用，想要保證其应用效果，就必须要从其应用策略出发。具体而言，激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用策略主要体现在以下方面：

（一）基础测绘工作中对激光雷达测绘技术的应用

所谓的基础测绘主要指的是对工程项目施工场地进行的测绘工作，其工作目的在于实现工程项目的基本要求和主要施工目的，通常来说工程测绘是一种对有关测量物体的基本信息进行搜集和整理的，因此在这一工作阶段应当是以数字影像为主要技术要求进行的。

（二）精密工程的测量中对激光雷达测绘技术的应用

测量都是一个复杂、系统的工作模式，它设计到多方面的内容加测量目标、三维立体坐标、三维物体模型等，因此整个测量工作的开展也是极为复杂和繁琐的包含了多种不同的工作流程加水文地质测量、沉降观测、电力选线、变形控制等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。

（三）数字城市建设中对激光雷达测绘技术的应用。

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。

（四）数字矿山的构建中对激光雷达测绘技术的应用

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胧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。

结语

通过上述文章不难看出，工程测绘工作对于我国工程领域的发展十分重要，想要使这一工作能够被很好的完成，就一定要将相应技术应用到具体测绘工作中，激光雷达测绘技术的应用对于工程测绘工作的顺利完成具有重要作用，因此，领域内的工作人员必须要在了解其原理以及分类的基础上，通过对相应策略的应用促使其应用效果的提高，这无论对于工程测绘领域来讲还是对整个社会来讲都具有重要的价值，因此必须被重视。

参考文献：

[1]郑永超，赵铭军，张文平，赵春生，沈严.激光雷达技术及其发展动向[J].红外与激光工程.2013（S3）

[2]李磊，郑永超，彭凤超，邓全.地形测绘激光成像雷达技术研究[J].红外与激光工程.2012（S3）

篇8：激光雷达技术在数字流域中的应用探讨

1.1 问题的提出

回顾“十五”期间, 国家电网公司新增220kV及以上线路5.9万公里, 变电容量2.9亿千伏安。国家电网已形成东北~华北~华中交流联网, 以及与华东、西北和南方的直流联网, 全国联网格局基本形成。国家电网公司将新增330kV及以上输电线路6万千米、变电容量3亿千伏安, 投资9000亿元左右。电网建设已经在一个高速发展的时期, 在未来的数年将新建更多的输电线路, 这将会在电力线维护这一领域产生一个巨大的商机。电网涉及到国家安全, 现阶段国内电力线巡线都采用人工巡线的方式, 这样消耗大量的人力和财力。国外发达国家的电力线巡线基本上采用了机载激光雷达技术, 激光雷达在线路维护上的优势明显, 其多次回波的特性可以再现出高压线周围的地物, 为获取高压线安全信息提供数据基础。这里我们通过试验来进行机载激光雷达用于电力线维护的可行性研究。

1.2 试验对象

本次试验是对北京昌平地区做一段3km长550kV高压线的带状航飞扫描, 试验区的地形为平地, 高压线下有植被、房屋。

2 使用设备OPTECH ALTM3100

加拿大OPTECH公司的ALTM3100包含激光传感器、Applanix公司的惯性导航系统、差分GPS。主要的软件包括:ALTM-NAV飞行管理系统、REALM数据处理软件、ZinView快速数据检测软件, 主要技术参数见表1。

3 数据采集

飞行前在检校场进行POS系统的纠正, 这种飞行检校每次都要做, 相当于对陀螺仪的一个初始化。扫描频率设定为10kHz, 运载平台为运五型运输机。试验季节为冬季, 设备工作环境温度是零下8℃, 导入设定好的航线设计信息。本次航飞一架次成功, 航高800m, 航速160km/h。数据导出后, 沿扫描方向点云间距为0.1m航向点云间距为0.6m, 电力线检测对点密度要求较高。

4 电力线点云的精度

由于机载激光雷达点云数据的数据源一般都是由设备直接提供, 其精度只能有一个理论参考, 什么水平精度在什么范围内, 垂直精度依据飞行海拔高度怎么变化。这些精度问题在检校后基本上都由POS引起, 虽然在后续点云的处理中可以用平差来改善, 但多多少少还是会带有误差, 无法全部消除。还有一个原因会造成电力线点云偏移的比较厉害, 由于一个反射对象的位置常常定义在光斑的中心。如果一个高反射率的地物在光斑的边缘, 这时这个高反射率地物的位置就发生了偏移, 像高压线这种金属材质其反射率就很高, 但这种偏移不会很大, 因为一般在采集高压线点云的时候飞行高度不会很高, 所以打在地物上的光斑不会很大。从理论上来说, 通过处理机载激光雷达波形数据可以提高点云数据精度。

5 软件平台

TerraSolid系列软件是第一套商业化Lidar数据处理软件, 基于Microstation开发的, 运行于Micorstation系统之上, 因此需要熟悉Microstation操作的用户才能很好的使用它。它包括:TerraMatch能当作激光扫描仪校正工具来用或者当作一个数据质量改正工具;TerraScan用来处理Lidar点数据的软件;TerraModeler建立地表模型软件;TerraPhoto专门用于对Lidar系统飞行时产生的影像做正射纠正并生成正摄影像。

6 数据处理

TerraScan有很多工具专门用于电力线处理, 这些工具包括:分类、失量化、报告工具。

6.1 导入采集到的原始激光点云

6.2 放塔线

放塔线是人工在塔与塔之间放一条近似的中心线, 在后处理阶段将要使用这条塔线, 塔线是一个沿着每一个塔的顶部连接的线串。

6.2.1 准备塔线的位置

分类所有的点为四大类:地表类、低矮植被类 (2m以下) 、高的植被、高压线类, 这些分出来的高压线点可能也包含撞击在树上或建筑物的点。这里需要强调的是分类地表是其它分类的基础, 所以高质量的地表分类非常重要。去除其它点仅仅保留地表点的过程叫做滤波, 由于点云数据的关键信息在于其坐标 (x, y, z) , 但现在还没有任何一个滤波算法能高精度地完全去除其它点保留地表点, 所以这一步可能需要大量的人工交互方式。在得到高质量的地表分类点后, 高压线条带的点云层次较明确这样就可依据地表以上不同高度来分出其它类别。图1为分类得到的结果图。

为了更好的描述高压线, 只显示分出来的高压线类。

放大点云数据直到能清楚地看到一个塔和描述高压线走向的一些高压线点。

6.2.2 应用软件的放塔线工具

选择放置塔线工具按钮。

通过观察塔的剖面图和正摄图来调节塔线的放置点, 如果放置点在塔的顶端就加入一个塔线点, 依次下来直到完成所有塔线点的放置, 由这些点连成的线就是塔线 (如图2) 。

6.3 检测线

这个步骤将查找打在高压线上的激光点云并依据这些点生成一段高压线, 这里控制线检测最重要的参数是最大间隔设置, 它定义打在线上的连续激光点之间的最大间隔, 小于这个间隔的就可以接受为一条线上的点云。经试验用一个很大的间隔来检测整个数据是不合理的, 这样会找到很多错误的点。首先应该用较小的最大间隔来检测, 这时在那些打在线上点很少的地方就用一个稍微大的最大间隔来检测。

选择一条塔线;打开检测线对话框, 把检测出来打在电力线上的点分类为高压线类;沿着高压线类的点云自动产生一条悬链线。

6.4 放置悬链线

如果在上一步检测线失败了, 放置悬链线工具可以让用户在两个塔之间放置单个悬链线, 这里可以通过鼠标沿着电力线点击五个点, 第一个点是这段电力线的起始点, 中间三个点用来拟合这段电力线, 最后一个点是这段电力线的末端。在点击点的时候, 系统会自动查找最近的激光点云, 同时系统也会通过点击的中间那三个点得到一个大致曲线并查找曲线一定范围内的点, 用这些点最小二乘得到最佳的高压线曲线。

6.5 检测悬链线的联结

因为每一条悬链线在放置的时候都是依据塔与塔之间的激光点来计算的, 由于点云数据的误差在两条悬链线的交接处可能无法很好的连接上, 所以就需要在每一个塔位检测悬链线末端之间的间隔并把它们连接起来。依据塔的点云轮廓手动安置高压线塔, 然后挪动、旋转、放塔臂、调整塔臂、放垂瓶、调整垂瓶, 图3为完成所有悬链线和高压线塔建模的最终结果。

6.6 标明悬链线的高度

标记悬链线的高度可以标记出从悬链线到其它类别点云的最小高度, 它查找所有距离悬链线一定范围内的点, 然后标记出点到悬链线的最小高差。图4为最低的一条高压线到植被类点云的最小高差。

6.7 查找危险地物

从矢量悬链线开始查找一定三维距离范围内的激光点, 在这个距离里的点就定义为危险点, 并产生一个危险点的列表, 通过在列表里的操作可以标记出危险点的位置和点到高压线的距离。

6.8 查看线与线的间距

线与线的间距是高压线安全非常关注的问题, 这里可以通过连续断面功能垂直于高压线自动切取断面, 如果发现线与线的间距发生异常就使用测距工具测得这个断面内两条高压线的间距。

7 结语

机载激光雷达用于电力勘测的趋势已无法阻挡, 就像以前航测用于电力勘测一样其将经历一个从认识到应用的过程。现在国内拥有的机载激光雷达不到10台, 每台仪器只配备一套TerraSolid软件。激光雷达的数据特点就是数据量很大, 国外的软件价格昂贵, 国内武汉大学已经开始研发“机载激光数据雷达处理软件平台”。对于生产单位来说, 机载激光雷达用于电力线路工程、电网维护优势明显, 电力设计部门完全有条件建立全国性的数据处理中心来应对未来激光雷达大数据量处理的市场。本文成功地验证了机载激光雷达用于电网维护的可行性和优势。

参考文献

[1]郑小兵, 全晓萍, 等.机载激光测量系统在晋东南至南阳特高压工程中的试验[J].电力勘测设计, 2007 (2) .