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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:10580

  一.前言

  LIDAR技術(shù)是現(xiàn)代雷達技術(shù)的英文名稱,該項技術(shù)是伴隨著社會對空間三維坐標的精確定位而發(fā)展起來的。由于該項技術(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。該項技術(shù)可以通過對空間的實時攝影,然后通過計算機將這些圖片和實體制作成三維數(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)和機載激光雷達掃描技術(shù)。這兩種技術(shù)分類有其固有的好處和特點。該項技術(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,具有很強的優(yōu)越性,因為激光技術(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)的工作原理是當激光照射到某一物體上時,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)儀器就可以計算出激光到相關(guān)物體的距離,因為已知接收時間。


  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,就可以準確的計算出每一個激光點的數(shù)據(jù)坐標信息,當大量的激光點聚集在一起的時候,就會組成一個巨大的團,這就成為了點云圖像,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脈沖,而激光接收器就可以在一分鐘內(nèi)記錄數(shù)十萬計個光點。這個計量是十分可觀的,當然,由于激光點不會始終打在一個點上,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三維的激光點,即可以形成X,Y,Z這樣的三維坐標,利用這個特點,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)的特點和工作要求。


  我們通過利用LIDAR技術(shù)的,同時將多個這樣的載體進行系統(tǒng)的作業(yè),就可以將定位坐標的精度精確到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,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)反射成一個三維的數(shù)據(jù)坐標,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)的激光點密度很高,所以就可以利用這個高密度的特點,生產(chǎn)出一些高進度、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)測繪的一個方面,同時基礎(chǔ)測繪還包括其他幾個方面,分別是正射影像、數(shù)字線劃地圖數(shù)字柵格地圖,這些產(chǎn)品的出現(xiàn),離不開高進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)計建立DEM模型,方便了公路、鐵路的施工土方量的精確計算。


  4.數(shù)字城市建設(shè)

  數(shù)字城市是21世紀以來,很多地方正在力爭構(gòu)建的信息化目標??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),進行城市三維建模是精雕細琢的工藝,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,可以快速獲取目標高密度高精度的三維點坐標,在軟件支持下對點云數(shù)據(jù)進行模型構(gòu)建和紋理映射,很方面地構(gòu)建大面積的城市三維模型。并可以實施快速動態(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,用藍綠光穿透水面測量水底,通過這兩個光束的接收時間差計算水的深度,因此可以進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,該項技術(shù)在現(xiàn)代測繪實踐中的作用已經(jīng)表象的越來越明顯。該項技術(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,這項技術(shù)的工作原理和前面三項技術(shù)有很大的不同,但是基本的理論思路是一樣的,該項技術(shù)不僅僅是在測繪方面有廣泛的價值,同時在人們生活的方方面面都尤其獨到的作用。該項技術(shù)的發(fā)展是人類技術(shù)的進步,同時這也更加促進未來人類LIDAR技術(shù)能夠取得更大的進步。


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