LIDAR的技術(shù)原理以及在測繪中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2018-06-01 00:00 瀏覽量：12089

　　一．前言

　　LIDAR技術(shù)是現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的英文名稱，該項(xiàng)技術(shù)是伴隨著社會對空間三維坐標(biāo)的精確定位而發(fā)展起來的。由于該項(xiàng)技術(shù)是對激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)這三種技術(shù)的一種全新的融合和創(chuàng)新，因此該項(xiàng)技術(shù)的很多原理和應(yīng)用對于很多人來說還是比較陌生的。該項(xiàng)技術(shù)可以通過對空間的實(shí)時(shí)攝影，然后通過計(jì)算機(jī)將這些圖片和實(shí)體制作成三維數(shù)據(jù)，從而再現(xiàn)客觀事物的真是形態(tài)，這是目前人類對空間信息獲取方式的最新體現(xiàn)。LIDAR技術(shù)根據(jù)其使用的載體的不同，可以將其分為激光掃描技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)。這兩種技術(shù)分類有其固有的好處和特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)是新的空間信息方面的技術(shù)，因此我們需要對其工作原理及其應(yīng)用作出具體的分析。本文主要是從該項(xiàng)技術(shù)的原理和應(yīng)用兩方面來做探討的。

　　二．LIDAR技術(shù)的工作原理分析

　　激光技術(shù)同普通的光波技術(shù)相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性，因?yàn)榧す饧夹g(shù)不容易受到大氣環(huán)境、太陽光線、紫外線的影響，這就為人們提高的數(shù)據(jù)信息的收集能力。激光技術(shù)的工作原理是當(dāng)激光照射到某一物體上時(shí)，只要該物體不存在方向反射的問題，那么激光就可以將一定的光波給反射回去，從而這些光波信號就會被主系統(tǒng)所接收，這樣相關(guān)儀器就可以計(jì)算出激光到相關(guān)物體的距離，因?yàn)橐阎邮諘r(shí)間。

　　在最新的LIDAR技術(shù)中，只要LIDAR接收到來自激光反射的光波信號后，就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每一個(gè)激光點(diǎn)的數(shù)據(jù)坐標(biāo)信息，當(dāng)大量的激光點(diǎn)聚集在一起的時(shí)候，就會組成一個(gè)巨大的團(tuán)，這就成為了點(diǎn)云圖像，這些就是激光的工作原理。

　　激光反射的頻率十分的高，它可以每秒鐘反射幾萬個(gè)脈沖，而激光接收器就可以在一分鐘內(nèi)記錄數(shù)十萬計(jì)個(gè)光點(diǎn)。這個(gè)計(jì)量是十分可觀的，當(dāng)然，由于激光點(diǎn)不會始終打在一個(gè)點(diǎn)上，例如它有可能在第一次打在樹冠上，第二次就有可能打在樹葉上，那么這樣就形成一個(gè)三維的激光點(diǎn)，即可以形成X,Y,Z這樣的三維坐標(biāo)，利用這個(gè)特點(diǎn)，我們就可以獲得地面的高程，周圍情況等很多信息，這正是LIDAR技術(shù)的特點(diǎn)和工作要求。

　　我們通過利用LIDAR技術(shù)的，同時(shí)將多個(gè)這樣的載體進(jìn)行系統(tǒng)的作業(yè)，就可以將定位坐標(biāo)的精度精確到0. 15至1 m，對高度就可以精確到10 cm至30 cm，對地面的分辨率更是能夠達(dá)到厘米的程度，通過這些精確的信息數(shù)據(jù)，我們就可以清晰的掌握某一地區(qū)的地理位置和地理特點(diǎn)，提供更加精確的三維信息。

LIDAR的技術(shù)原理以及在測繪中的應(yīng)用.jpg

　　三．LIDAR技術(shù)在測繪中的相關(guān)應(yīng)用分析

　　1．LIDAR技術(shù)可以在測繪中高效快捷的獲取數(shù)字高程模型

　　LIDAR技術(shù)的的最主要的特點(diǎn)就是可以在測繪中獲取高精度、高精確的激光數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)反射成一個(gè)三維的數(shù)據(jù)坐標(biāo)，因此，通過人工的處理和分析，就可以講相關(guān)的信息植入到一個(gè)不貴側(cè)的三角網(wǎng)里，這些信息包括某一地區(qū)的植被、房屋、河流等基本的地理信息，通過這個(gè)三角網(wǎng)，我們就可以迅速的獲取DEM。由于LIDAR技術(shù)的激光點(diǎn)密度很高，所以就可以利用這個(gè)高密度的特點(diǎn)，生產(chǎn)出一些高進(jìn)度、具有較高分辨率的DEM出來，這是測繪的基礎(chǔ)應(yīng)用。

　　2．LIDAR技術(shù)在基礎(chǔ)測繪中的應(yīng)用

　　高程模型是基礎(chǔ)測繪的一個(gè)方面，同時(shí)基礎(chǔ)測繪還包括其他幾個(gè)方面，分別是正射影像、數(shù)字線劃地圖和數(shù)字柵格地圖，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)，離不開高進(jìn)度的三維信息的支持。

　　3．LIDAR應(yīng)用于測繪中的精密工程測量工作

　　測繪中的許多精密的測量工作，對于三維信息的精確性都提出了很高的要求，甚至有的精密測量還需要建立相關(guān)的模型。例如礦山和隧道測量、水文測量、沉降測量等很多的精密測量，這些測量都需要高精度的三維數(shù)據(jù)信息。LIDAR技術(shù)就可以幫助他們提供高精度的三維坐標(biāo)信息，它通過提供一些高分辨率的三維圖片，使得測繪工作中的精密測量變得十分容易。

　　例如:LIDAR技術(shù)為公路、鐵路的設(shè)計(jì)提供了許多高精度的三維表表信息，從而版主公路、鐵路的設(shè)計(jì)建立DEM模型，方便了公路、鐵路的施工土方量的精確計(jì)算。

　　4．?dāng)?shù)字城市建設(shè)

　　數(shù)字城市是21世紀(jì)以來，很多地方正在力爭構(gòu)建的信息化目標(biāo)?？臻g信息作為數(shù)字城市的基礎(chǔ)框架和平臺，是構(gòu)建數(shù)字城市的重要研究課題。LIDAR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，具有真實(shí)感的城市三維模型作為管理城市的虛擬平臺。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)，在軟件支持下對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建和紋理映射，很方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實(shí)施快速動(dòng)態(tài)更新，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。

　　5.水下地形測量

　　有些LIDAR系統(tǒng)，采用了兩種不同波長的激光束還可以對水底進(jìn)行測量。比如，SHOALS系統(tǒng)在采用紅光(或紅外光)測量水面的同時(shí)，用藍(lán)綠光穿透水面測量水底，通過這兩個(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量。通常情況下，海道測量LIDAR所能測量的海水深度為50 m，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。

　　四．結(jié)束語

　　LIDAR技術(shù)是現(xiàn)代測繪技術(shù)的發(fā)展前沿，該項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代測繪實(shí)踐中的作用已經(jīng)表象的越來越明顯。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，是對激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一種發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)的工作原理和前面三項(xiàng)技術(shù)有很大的不同，但是基本的理論思路是一樣的，該項(xiàng)技術(shù)不僅僅是在測繪方面有廣泛的價(jià)值，同時(shí)在人們生活的方方面面都尤其獨(dú)到的作用。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展是人類技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)這也更加促進(jìn)未來人類LIDAR技術(shù)能夠取得更大的進(jìn)步。

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