陳誠(chéng)方，王曉磊

（杭州通泰測(cè)繪有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)在實(shí)際工程測(cè)繪工作中，可在整個(gè)檢測(cè)過程中以高度的準(zhǔn)確性與有效性不斷提升測(cè)繪工程檢測(cè)效率，并解決一些緊急事件?？傊诩す饫走_(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)的應(yīng)用中，可以大大提高基礎(chǔ)測(cè)繪保障水平，推動(dòng)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的更新速度，深入推進(jìn)智慧工程發(fā)展效用。

1 激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)概述

1.1 激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)介紹

（1）關(guān)于激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)的基本構(gòu)成及其在地面測(cè)量中的作用。其中，包括激光發(fā)射、信號(hào)探測(cè)、物質(zhì)掃描和信號(hào)加工等。這些技術(shù)與綜合雷達(dá)技術(shù)相融合，為實(shí)現(xiàn)高精度的地形圖提供了有利的環(huán)境。

（2）激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，所面臨的問題如下：如何提高測(cè)量技術(shù)水平，節(jié)約相應(yīng)能源，推動(dòng)測(cè)量工作快速發(fā)展。隨著技術(shù)的進(jìn)步，雷達(dá)發(fā)射器的質(zhì)量、尺寸都要比空間分辨率更高，能檢測(cè)到較弱的信號(hào)，這在某種程度上是節(jié)約了激光器的發(fā)射頻率。

（3）激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)它是采集數(shù)據(jù)的一種方法，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要根據(jù)探測(cè)到的目標(biāo)，利用所產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)，判斷出對(duì)應(yīng)的地貌特性，實(shí)現(xiàn)地圖繪制，其中影像的加工技術(shù)直接關(guān)系到最后資料和影像的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量的參數(shù)越精確，測(cè)量方法就會(huì)變得更加精確。

目前，該技術(shù)被廣泛用于實(shí)際的質(zhì)量安全檢測(cè)工序中，其優(yōu)勢(shì)顯著，不僅降低了人力、物力成本，還減少了環(huán)境污染，節(jié)省了大量的時(shí)間，并提高了作業(yè)安全性。

1.2 激光雷達(dá)回波

激光雷達(dá)回波需按照自身反射機(jī)制，運(yùn)用發(fā)射的激光脈沖使其與物體產(chǎn)生反射，其物體包括植被與建筑物等，一束激光脈沖可以回到一個(gè)或更多的回波傳感器中，任何一束激光在到達(dá)地面時(shí)，若碰到多個(gè)反射面，即分解為相同數(shù)量的反射面。第一個(gè)返回的激光脈沖為雷達(dá)回波的關(guān)鍵，會(huì)和地面上的最高元素聯(lián)系起來，例如樹冠或者大樓的頂端，第一個(gè)回波也可以代表一個(gè)地面，此時(shí)的激光雷達(dá)只能探測(cè)到一個(gè)回波，多個(gè)回波可以探測(cè)到多個(gè)物體在外照射的激光脈沖的激光交叉處的高度。中間回波一般與植物構(gòu)造相對(duì)應(yīng)，最后的反射則與裸露的地面特雷恩模式相一致，其回波并不一定需要從地面發(fā)射。

1.3 激光雷達(dá)點(diǎn)屬性

基于激光雷達(dá)點(diǎn)屬性其信息被儲(chǔ)存在每個(gè)x，y，z的位置，其中包括強(qiáng)度，回波號(hào)碼，回波數(shù)目等等。下文提出了具體的內(nèi)容。

（1）激光雷達(dá)屬性。一次發(fā)射的激光脈沖能產(chǎn)生五次以上的回波，這依賴于激光脈沖的反射成分和用于收集資料的激光掃描器的作用。第一個(gè)回聲將被標(biāo)注為1，以此類推。

（2）回波數(shù)?；夭〝?shù)目是指，針對(duì)特定脈沖所產(chǎn)生數(shù)量。例如，一個(gè)激光數(shù)據(jù)點(diǎn)可以是五個(gè)回波數(shù)目的第二個(gè)。

（3）點(diǎn)分類。每一個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)都可以定義被反射的目標(biāo)的種類。雷達(dá)點(diǎn)可分為地面、地表面以及冠層頂部、水面。在LAS 檔案中使用數(shù)字整型程式碼來定義不同的類別。

（4）飛行路線的邊界，以0 或1 為基礎(chǔ)，以1-1 為符號(hào)。在飛行路線的邊沿上標(biāo)注的點(diǎn)會(huì)被指定為1，其余的點(diǎn)會(huì)被指定為0。

（5）RGB。RGB（紅色、綠色和藍(lán)色）頻帶可以被用作激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的屬性。這個(gè)特性一般是從激光雷達(dá)測(cè)量中獲取的圖像。

（6）GPS 時(shí)間。GPS 時(shí)間標(biāo)記用于從飛機(jī)上發(fā)射的激光。該時(shí)間用GPS 一星期的秒數(shù)來表達(dá)。

（7）掃描角度。掃描角度為-90°~+90°。在0°時(shí)，激光脈沖正好處于飛行器的底部。在-90°時(shí)，激光脈沖位于機(jī)身的左邊；在+90°時(shí)，激光脈沖位于機(jī)身的右側(cè)，與飛行方向一致。目前大部分的激光雷達(dá)系統(tǒng)在±30°以下。

（8）掃描方向，在激光脈沖向外輻射時(shí)，掃描反射鏡的運(yùn)動(dòng)方向。1 表示正向掃描；0 的數(shù)值表示負(fù)向的掃描。正代表掃描器從軌道的左邊向右邊運(yùn)動(dòng)，而負(fù)的數(shù)值則是反向運(yùn)動(dòng)。

1.4 點(diǎn)云

點(diǎn)云是對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行了空間組織后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最初的點(diǎn)云是一個(gè)龐大的三維高度點(diǎn)，它包含了其他屬性，如x 值、y 值、z 值以及GPS 時(shí)間標(biāo)記。最初的雷達(dá)點(diǎn)云經(jīng)后處理，可以將激光碰到的具體表面元素歸類。其中包括地面，建筑物以及任何在測(cè)量時(shí)所接觸到的目標(biāo)等都可形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。

1.5 激光雷達(dá)強(qiáng)度數(shù)據(jù)

激光雷達(dá)強(qiáng)度是按照其反映指標(biāo)，明確回波強(qiáng)度以及各個(gè)點(diǎn)收集類型后所測(cè)量的指數(shù)。這個(gè)數(shù)值是根據(jù)被激光雷達(dá)脈沖掃描物體的反射系數(shù)而產(chǎn)生，其反射屬于波長(zhǎng)函數(shù)，一般為近紅外波段。回波強(qiáng)度取決于被反射的物體的成分可以利用強(qiáng)度來協(xié)助元素探測(cè)和抽取，并對(duì)激光雷達(dá)點(diǎn)分類進(jìn)行分析，也可以作為航空?qǐng)D像的替代品。由于強(qiáng)度是相對(duì)的，而非定量的，所以在同一目標(biāo)上，不同的飛行高度和高度都無法獲得同樣的數(shù)值。例如，若基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)中包括強(qiáng)度值，為此可利用此類強(qiáng)度繪制出黑白圖像[2]。

1.6 激光雷達(dá)與雷達(dá)的區(qū)別

激光雷達(dá)與雷達(dá)的區(qū)別就和名字一樣簡(jiǎn)單易懂，激光雷達(dá)即為，發(fā)射激光的雷達(dá)。在原理上基本類似，只是激光雷達(dá)發(fā)射的是一條直線的光束，而雷達(dá)發(fā)射出去的是一個(gè)錐狀的電磁波波束、按照用途，我們可以把激光傳感器分為兩類，即避障級(jí)和高精度測(cè)繪級(jí)，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)在一些關(guān)鍵參數(shù)上，如角分辨率、視場(chǎng)角、測(cè)量距離、測(cè)量速率、測(cè)量精度、多次回波技術(shù)、多周期回波技術(shù)等，這兩類激光傳感器有較大差別。

測(cè)繪激光雷達(dá)是將激光傳感器、GNSS、IMU 和相機(jī)集成在一起的一個(gè)系統(tǒng)，通過各個(gè)傳感器的參數(shù)標(biāo)定，可以精確計(jì)算出傳感器之間的位置偏差，以及不同坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換所用到的旋轉(zhuǎn)角，從而將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)。在使用激光雷達(dá)做測(cè)繪時(shí)，一般可以采用汽車、無人機(jī)、有人機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)作為載體，將移動(dòng)中的激光原始數(shù)據(jù)、GNSS 數(shù)據(jù)、IMU 數(shù)據(jù)，后期通過Postˉprocessing 模式的后處理得到厘米級(jí)精度POS 數(shù)據(jù)，基于POS 和原始激光數(shù)據(jù)生成我們常?？吹降募す恻c(diǎn)云成果[3]。

2 激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)特征與優(yōu)勢(shì)分析

2.1 使用廣泛

激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，該技術(shù)掃描速度非常的快，可以極大地提高測(cè)量的效率，而且還可以在較短的時(shí)間內(nèi)，利用各種方法來獲取更多的信息。尤其是在很困難的情況下，該技術(shù)也能夠準(zhǔn)確地把握物體的狀況，既節(jié)約了大量的人力，又為深入的研究對(duì)象提供了良好的數(shù)據(jù)資料。

例如，測(cè)距，測(cè)量距離與激光發(fā)射頻率、地面實(shí)際反射率、最大探測(cè)距離、最大反射率、最大反射率約為ρ≥60%（部分甚至ρ≤90%），而測(cè)量距離則與激光發(fā)射頻率成反比，發(fā)射頻率愈高，則測(cè)量距離愈短。

又如，測(cè)定速率，通常用最大的激光脈沖發(fā)射頻率表示，如RIEGL 的VUXˉ1UAV，其最大激光發(fā)射頻率為50000 點(diǎn)/s，而微型VUXˉ1UAV 為100000 點(diǎn)/s。

2.2 動(dòng)態(tài)捕捉

激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)通過其相關(guān)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，可在一定程度上針對(duì)關(guān)鍵測(cè)繪地域進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，經(jīng)過多次的測(cè)試，將這些信息進(jìn)行匯總，最終得到區(qū)域地圖的通用信息，并且可以進(jìn)行有效的核實(shí)，確保了這些信息的準(zhǔn)確率，同時(shí)也可以防止一些特殊情況的干擾。另外，它還可以為今后的測(cè)繪工作，提供實(shí)際檢測(cè)效率，例如，在長(zhǎng)期檢測(cè)工作中，為避免時(shí)間出現(xiàn)浪費(fèi)現(xiàn)象，應(yīng)合理利用該技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕捉以獲取準(zhǔn)確的測(cè)量信息，如天文現(xiàn)象、水文環(huán)境等。與此同時(shí)，在工程測(cè)繪工作中，其實(shí)際的監(jiān)測(cè)尺寸在隨著工程需求不斷提高。就目前激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)發(fā)展來看，其當(dāng)前的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)提高了監(jiān)測(cè)的尺度比，并且對(duì)于小范圍的物體檢測(cè)來說，激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)已經(jīng)形成了一定專業(yè)化的監(jiān)測(cè)流程。

2.3 數(shù)據(jù)全面

該技術(shù)在檢測(cè)中其范圍較為廣泛，為此檢測(cè)內(nèi)容較多。從宏觀層面進(jìn)行分析，由于地球上一切自然演變與人文社會(huì)發(fā)展都可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但在實(shí)際地形測(cè)繪中，應(yīng)該合理利用該技術(shù)針對(duì)地域土壤、自然事物、水文等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與分析，并以分析得出實(shí)際地域情況，在有效確保測(cè)繪工作全面性時(shí)也促進(jìn)了數(shù)據(jù)的有效性。

3 激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)實(shí)際應(yīng)用分析

3.1 激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)應(yīng)用范圍

根據(jù)常見的電磁段，激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)可以劃分成可見光、紅外、多段、紫外和微波。目前，我國(guó)的遙感技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：增強(qiáng)遙感器的解析度，充分發(fā)揮信息的能力，開發(fā)先進(jìn)的遙感器、信息傳輸和數(shù)據(jù)處理裝置，使其能夠全天工作，并能及時(shí)獲取信息。遙感平臺(tái)是一種帶有探測(cè)作用的載體，根據(jù)其海拔一般可劃分為地面平臺(tái)、空中平臺(tái)和空間平臺(tái)。地面上的平臺(tái)包括三腳架、遙感塔、遙感（船）、樓頂?shù)?，主要是?duì)地表進(jìn)行短程的探測(cè)，獲取實(shí)驗(yàn)所需的詳細(xì)圖像；高空平臺(tái)包括在大氣中飛行的飛機(jī)、飛艇、氣球等；以及在大氣層之外的飛行器，如航天飛機(jī)、火箭等。不同海拔的衛(wèi)星可以得到不同區(qū)域、不同分辨率的影像資料。在遙感領(lǐng)域，3 種類型的衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以相互補(bǔ)充、協(xié)同工作[2]。

而遙感器就是用來探測(cè)周圍的物體或者是對(duì)周圍的電磁信號(hào)進(jìn)行反射的設(shè)備。目前常用的20 多種，除了紅外照相機(jī)、紅外照相機(jī)、紫外線照相機(jī)外，還包括紅外掃描儀、多光譜掃描儀、微波散射儀、側(cè)視雷達(dá)、專題成像儀、成像光譜儀等。該遙測(cè)器通過校正、變換、分解、組合等數(shù)學(xué)處理，提供給使用者分析、解讀，或利用GIS 及專業(yè)技術(shù)，制作成主題圖或統(tǒng)計(jì)圖，為資源勘察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)土測(cè)繪提供資訊。遙感技術(shù)發(fā)展到了多光譜、多極化、微型化、高解析度等方面。

目前，中國(guó)已經(jīng)發(fā)射了20 多顆遙感氣象衛(wèi)星，并取得了全球最多、最全的氣象衛(wèi)星，并建成了衛(wèi)星遙感地面觀測(cè)平臺(tái)、衛(wèi)星氣象觀測(cè)中心、影像數(shù)據(jù)處理、電腦繪圖等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得遙感技術(shù)向高分辨率、高精度、高精度、全天候、實(shí)時(shí)抗干擾、實(shí)時(shí)等方向發(fā)展，在目標(biāo)監(jiān)測(cè)、地物分類和大數(shù)據(jù)分析等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[4]。

3.2 環(huán)境治理應(yīng)用

（1）黑臭河是當(dāng)前我國(guó)水質(zhì)惡化的一個(gè)極端問題。省、市、自治區(qū)、直轄市人民政府近日宣布，要根據(jù)調(diào)查結(jié)果，制訂出市級(jí)城市污水整治規(guī)劃，爭(zhēng)取在“十四五”期間全部完成。在黑臭水體的防治中，篩選與監(jiān)控方法是十分必要的。常規(guī)的篩選與監(jiān)控方法，要求人員到工地進(jìn)行，成本高，覆蓋面小，數(shù)據(jù)處理速度緩慢。但利用激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)，可成功地突破了水質(zhì)定量化、大規(guī)模批量處理等科學(xué)問題，并建立了以高質(zhì)量、高批量處理技術(shù)為主要技術(shù)支撐的污水系統(tǒng)。然而，除黑河流域外，還存在著許多問題。目前，在氣象、地球資源普查、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、土地利用規(guī)劃、植被分類、作物產(chǎn)量調(diào)查以及作物病害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中，激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。

（2）在測(cè)繪工程中，很多工程類型都對(duì)測(cè)繪提出了一定的要求。但相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖像信息對(duì)于實(shí)際工程建設(shè)比較重要，因此應(yīng)利用激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程全方位的測(cè)量，并在特殊目標(biāo)獲取方面提高優(yōu)勢(shì)。在借助激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)對(duì)特殊目標(biāo)進(jìn)行獲取時(shí)，可有效提高準(zhǔn)確性，并使所有影像資料精度更高，避免了傳統(tǒng)測(cè)繪中出現(xiàn)的圖形質(zhì)量差、位置不對(duì)等情況[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，在激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)快速發(fā)展下，該技術(shù)已經(jīng)逐漸成為全面應(yīng)用的新型技術(shù)，該技術(shù)可結(jié)合其他技術(shù)為測(cè)繪行業(yè)提供有力的數(shù)據(jù)支持，其激光雷達(dá)地形測(cè)繪遙感技術(shù)在很大程度上減少了工程測(cè)繪中需要的人力與物力資源，相信該技術(shù)在未來發(fā)展一定可以更加完善。