LIDAR的(de)技術原理(lǐ)以及在測繪中的(de)應用(yòng)

　　一．前言

　　LIDAR技術是現代雷達技術的(de)英文名稱，該項技術是伴随著(zhe)社會對(duì)空間三維坐(zuò)标的(de)精确定位而發展起來(lái)的(de)。由于該項技術是對(duì)激光(guāng)、全球定位系統(GPS)和(hé)慣性導航系統(INS)這(zhè)三種技術的(de)一種全新的(de)融合和(hé)創新，因此該項技術的(de)很多(duō)原理(lǐ)和(hé)應用(yòng)對(duì)于很多(duō)人(rén)來(lái)說還(hái)是比較陌生的(de)。該項技術可(kě)以通(tōng)過對(duì)空間的(de)實時(shí)攝影(yǐng)，然後通(tōng)過計算(suàn)機将這(zhè)些圖片和(hé)實體制作成三維數據，從而再現客觀事物(wù)的(de)真是形态，這(zhè)是目前人(rén)類對(duì)空間信息獲取方式的(de)最新體現。LIDAR技術根據其使用(yòng)的(de)載體的(de)不同，可(kě)以将其分(fēn)爲激光(guāng)掃描技術和(hé)機載激光(guāng)雷達掃描技術。這(zhè)兩種技術分(fēn)類有其固有的(de)好處和(hé)特點。該項技術是新的(de)空間信息方面的(de)技術，因此我們需要對(duì)其工作原理(lǐ)及其應用(yòng)作出具體的(de)分(fēn)析。本文主要是從該項技術的(de)原理(lǐ)和(hé)應用(yòng)兩方面來(lái)做(zuò)探討(tǎo)的(de)。

　　二．LIDAR技術的(de)工作原理(lǐ)分(fēn)析

　　激光(guāng)技術同普通(tōng)的(de)光(guāng)波技術相比，具有很強的(de)優越性，因爲激光(guāng)技術不容易受到大(dà)氣環境、太陽光(guāng)線、紫外線的(de)影(yǐng)響，這(zhè)就爲人(rén)們提高(gāo)的(de)數據信息的(de)收集能力。激光(guāng)技術的(de)工作原理(lǐ)是當激光(guāng)照(zhào)射到某一物(wù)體上時(shí)，隻要該物(wù)體不存在方向反射的(de)問題，那麽激光(guāng)就可(kě)以将一定的(de)光(guāng)波給反射回去，從而這(zhè)些光(guāng)波信号就會被主系統所接收，這(zhè)樣相關儀器就可(kě)以計算(suàn)出激光(guāng)到相關物(wù)體的(de)距離，因爲已知接收時(shí)間。

　　在最新的(de)LIDAR技術中，隻要LIDAR接收到來(lái)自激光(guāng)反射的(de)光(guāng)波信号後，就可(kě)以準确的(de)計算(suàn)出每一個(gè)激光(guāng)點的(de)數據坐(zuò)标信息，當大(dà)量的(de)激光(guāng)點聚集在一起的(de)時(shí)候，就會組成一個(gè)巨大(dà)的(de)團，這(zhè)就成爲了(le)點雲圖像，這(zhè)些就是激光(guāng)的(de)工作原理(lǐ)。

　　激光(guāng)反射的(de)頻(pín)率十分(fēn)的(de)高(gāo)，它可(kě)以每秒鐘(zhōng)反射幾萬個(gè)脈沖，而激光(guāng)接收器就可(kě)以在一分(fēn)鐘(zhōng)内記錄數十萬計個(gè)光(guāng)點。這(zhè)個(gè)計量是十分(fēn)可(kě)觀的(de)，當然，由于激光(guāng)點不會始終打在一個(gè)點上，例如它有可(kě)能在第一次打在樹冠上，第二次就有可(kě)能打在樹葉上，那麽這(zhè)樣就形成一個(gè)三維的(de)激光(guāng)點，即可(kě)以形成X,Y,Z這(zhè)樣的(de)三維坐(zuò)标，利用(yòng)這(zhè)個(gè)特點，我們就可(kě)以獲得(de)地面的(de)高(gāo)程，周圍情況等很多(duō)信息，這(zhè)正是LIDAR技術的(de)特點和(hé)工作要求。

　　我們通(tōng)過利用(yòng)LIDAR技術的(de)，同時(shí)将多(duō)個(gè)這(zhè)樣的(de)載體進行系統的(de)作業，就可(kě)以将定位坐(zuò)标的(de)精度精确到0. 15至1 m，對(duì)高(gāo)度就可(kě)以精确到10 cm至30 cm，對(duì)地面的(de)分(fēn)辨率更是能夠達到厘米的(de)程度，通(tōng)過這(zhè)些精确的(de)信息數據，我們就可(kě)以清晰的(de)掌握某一地區(qū)的(de)地理(lǐ)位置和(hé)地理(lǐ)特點，提供更加精确的(de)三維信息。

　　三．LIDAR技術在測繪中的(de)相關應用(yòng)分(fēn)析

　　1．LIDAR技術可(kě)以在測繪中高(gāo)效快(kuài)捷的(de)獲取數字高(gāo)程模型

　　LIDAR技術的(de)的(de)最主要的(de)特點就是可(kě)以在測繪中獲取高(gāo)精度、高(gāo)精确的(de)激光(guāng)數據，由于這(zhè)些數據反射成一個(gè)三維的(de)數據坐(zuò)标，因此，通(tōng)過人(rén)工的(de)處理(lǐ)和(hé)分(fēn)析，就可(kě)以講相關的(de)信息植入到一個(gè)不貴側的(de)三角網裏，這(zhè)些信息包括某一地區(qū)的(de)植被、房(fáng)屋、河(hé)流等基本的(de)地理(lǐ)信息，通(tōng)過這(zhè)個(gè)三角網，我們就可(kě)以迅速的(de)獲取DEM。由于LIDAR技術的(de)激光(guāng)點密度很高(gāo)，所以就可(kě)以利用(yòng)這(zhè)個(gè)高(gāo)密度的(de)特點，生産出一些高(gāo)進度、具有較高(gāo)分(fēn)辨率的(de)DEM出來(lái)，這(zhè)是測繪的(de)基礎應用(yòng)。

　　2．LIDAR技術在基礎測繪中的(de)應用(yòng)

　　高(gāo)程模型是基礎測繪的(de)一個(gè)方面，同時(shí)基礎測繪還(hái)包括其他(tā)幾個(gè)方面，分(fēn)别是正射影(yǐng)像、數字線劃地圖和(hé)數字栅格地圖，這(zhè)些産品的(de)出現，離不開高(gāo)進度的(de)三維信息的(de)支持。

　　3．LIDAR應用(yòng)于測繪中的(de)精密工程測量工作

　　測繪中的(de)許多(duō)精密的(de)測量工作，對(duì)于三維信息的(de)精确性都提出了(le)很高(gāo)的(de)要求，甚至有的(de)精密測量還(hái)需要建立相關的(de)模型。例如礦山和(hé)隧道測量、水(shuǐ)文測量、沉降測量等很多(duō)的(de)精密測量，這(zhè)些測量都需要高(gāo)精度的(de)三維數據信息。LIDAR技術就可(kě)以幫助他(tā)們提供高(gāo)精度的(de)三維坐(zuò)标信息，它通(tōng)過提供一些高(gāo)分(fēn)辨率的(de)三維圖片，使得(de)測繪工作中的(de)精密測量變得(de)十分(fēn)容易。

　　例如:LIDAR技術爲公路、鐵路的(de)設計提供了(le)許多(duō)高(gāo)精度的(de)三維表表信息，從而版主公路、鐵路的(de)設計建立DEM模型，方便了(le)公路、鐵路的(de)施工土方量的(de)精确計算(suàn)。

　　4．數字城(chéng)市建設

　　數字城(chéng)市是21世紀以來(lái)，很多(duō)地方正在力争構建的(de)信息化(huà)目标。空間信息作爲數字城(chéng)市的(de)基礎框架和(hé)平台，是構建數字城(chéng)市的(de)重要研究課題。LIDAR系統可(kě)以獲取高(gāo)分(fēn)辨率、高(gāo)精度的(de)數字地面模型和(hé)數字正射影(yǐng)像，提供了(le)構建數字城(chéng)市最寶貴的(de)空間信息資源，因此是數字城(chéng)市建設的(de)重要技術力量。

　　數字城(chéng)市還(hái)需要構建高(gāo)精度、真三維、可(kě)量測，具有真實感的(de)城(chéng)市三維模型作爲管理(lǐ)城(chéng)市的(de)虛拟平台。但是采用(yòng)傳統技術，進行城(chéng)市三維建模是精雕細琢的(de)工藝，工作量很大(dà)，效率非常低，而且效果并不好，影(yǐng)響了(le)數字城(chéng)市服務面的(de)寬度和(hé)深度。利用(yòng)LIDAR技術對(duì)地面建築物(wù)進行空中激光(guāng)掃描或地面多(duō)角度激光(guāng)掃描，可(kě)以快(kuài)速獲取目标高(gāo)密度高(gāo)精度的(de)三維點坐(zuò)标，在軟件支持下(xià)對(duì)點雲數據進行模型構建和(hé)紋理(lǐ)映射，很方面地構建大(dà)面積的(de)城(chéng)市三維模型。并可(kě)以實施快(kuài)速動态更新，爲數字城(chéng)市建設基礎數據源的(de)持續性、曆史性提供了(le)确實的(de)保障。

　　5.水(shuǐ)下(xià)地形測量

　　有些LIDAR系統，采用(yòng)了(le)兩種不同波長(cháng)的(de)激光(guāng)束還(hái)可(kě)以對(duì)水(shuǐ)底進行測量。比如，SHOALS系統在采用(yòng)紅光(guāng)(或紅外光(guāng))測量水(shuǐ)面的(de)同時(shí)，用(yòng)藍綠光(guāng)穿透水(shuǐ)面測量水(shuǐ)底，通(tōng)過這(zhè)兩個(gè)光(guāng)束的(de)接收時(shí)間差計算(suàn)水(shuǐ)的(de)深度，因此可(kě)以進行大(dà)面積的(de)水(shuǐ)下(xià)地形測量。通(tōng)常情況下(xià)，海道測量LIDAR所能測量的(de)海水(shuǐ)深度爲50 m，此一深度随水(shuǐ)質清晰度的(de)不同而變化(huà)，爲航道、近海海洋、水(shuǐ)文等行業的(de)人(rén)士所推崇。

　　四．結束語

　　LIDAR技術是現代測繪技術的(de)發展前沿，該項技術在現代測繪實踐中的(de)作用(yòng)已經表象的(de)越來(lái)越明(míng)顯。該項技術的(de)發展，是對(duì)激光(guāng)、全球定位系統和(hé)慣性導航系統的(de)一種發展，這(zhè)項技術的(de)工作原理(lǐ)和(hé)前面三項技術有很大(dà)的(de)不同，但是基本的(de)理(lǐ)論思路是一樣的(de)，該項技術不僅僅是在測繪方面有廣泛的(de)價值，同時(shí)在人(rén)們生活的(de)方方面面都尤其獨到的(de)作用(yòng)。該項技術的(de)發展是人(rén)類技術的(de)進步，同時(shí)這(zhè)也(yě)更加促進未來(lái)人(rén)類LIDAR技術能夠取得(de)更大(dà)的(de)進步。

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