殷圣云

（廣西桂禹工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530023）

0 引言

21 世紀(jì)的社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展，屬于科技創(chuàng)新與發(fā)展的時(shí)代?，F(xiàn)代化社會(huì)的進(jìn)步，得益于科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)與演化。尤其當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下，科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新水平不斷提升，大大刺激了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，提升了廣大基層群眾生活水平。在水利工程測(cè)繪行業(yè)中，建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)基礎(chǔ)上，新型測(cè)繪技術(shù)不斷創(chuàng)新與發(fā)展，全面提升了水利工程測(cè)繪水平和效益，促使水利工程測(cè)繪企業(yè)，獲得更多經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。新型測(cè)繪技術(shù)形態(tài)中，尤其以激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)尤為突出。激光雷達(dá)技術(shù)通過發(fā)射和反饋激光信號(hào)，可以大大提高水利工程測(cè)繪數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)性。本文旨在剖析激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用問題，僅供參考。

1 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)內(nèi)涵

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，是新時(shí)期隨著工程測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展，逐漸創(chuàng)新出現(xiàn)的新型測(cè)繪技術(shù)形態(tài)。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)就是將激光雷達(dá)技術(shù)與工程測(cè)繪技術(shù)相互結(jié)合，使得激光雷達(dá)為工程測(cè)繪服務(wù)。激光雷達(dá)的工作光束是激光，而激光的產(chǎn)生是由激發(fā)發(fā)射機(jī)射出的?，F(xiàn)代化的激光雷達(dá)，主要是由信息處理系統(tǒng)、光學(xué)接收機(jī)以及激光發(fā)射機(jī)等三大核心設(shè)備組成。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用時(shí)，會(huì)通過激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)電脈沖向光脈沖的轉(zhuǎn)化。待轉(zhuǎn)化完成以后，再由激光發(fā)射機(jī)對(duì)光脈沖進(jìn)行直接發(fā)射。而當(dāng)光脈沖發(fā)射回來的時(shí)候，再由激光器對(duì)其進(jìn)行還原，直接還原為電脈沖。然后將所獲得的水利工程測(cè)繪信息，直接反饋到顯示器上[1]。激光雷達(dá)測(cè)繪儀器設(shè)備組成如圖1 所示。

圖1 激光雷達(dá)測(cè)繪儀器設(shè)備組成

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪目標(biāo)的精準(zhǔn)化定位，而且還可以在實(shí)際測(cè)繪中，將水利工程距離和角度進(jìn)行精準(zhǔn)化測(cè)量。也正是因?yàn)槿绱耍梢钥闯黾す饫走_(dá)測(cè)繪技術(shù)的巨大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，直接應(yīng)用于水利工程測(cè)繪中，是工程測(cè)繪領(lǐng)域的重大突破性進(jìn)展，大大提高了水利工程測(cè)繪水平和效率，提高了水利工程測(cè)繪精準(zhǔn)度。同時(shí)，也使得水利工程測(cè)繪更加簡(jiǎn)潔和簡(jiǎn)單。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，在計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)加持下，可以構(gòu)建成為完整的數(shù)字模型系統(tǒng)，將所有的數(shù)據(jù)信息直接納入數(shù)字模型系統(tǒng)中，對(duì)于后期水利工程建設(shè)以及水利工程測(cè)繪，是十分有利且十分必要的[2]。

2 激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)主要是通過發(fā)射和反饋信號(hào)激光源，而更好的應(yīng)用到工程測(cè)繪中來的。與傳統(tǒng)的其他水利工程測(cè)繪技術(shù)相比，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，有著極為明顯的優(yōu)勢(shì)和特色。首先，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，觀測(cè)速率提升。在日常的測(cè)繪工程測(cè)繪實(shí)踐中，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用，使得自動(dòng)化技術(shù)得以提升，加上其他電子技術(shù)和軟件技術(shù)融合，使得激光雷達(dá)工程測(cè)繪，擺脫了大量人力、物力、財(cái)力的投入，使得激光雷達(dá)測(cè)繪操作過程中，測(cè)繪觀測(cè)速率得以極大程序化提升。其次，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，精準(zhǔn)度更高。在其他定位系統(tǒng)支持下，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)觀測(cè)范圍逐漸擴(kuò)大[3]。比如，定位測(cè)距在200~800m 的工程項(xiàng)目，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)都可以精準(zhǔn)化進(jìn)行測(cè)量。而且在自動(dòng)化技術(shù)加持下，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用中，可以將數(shù)據(jù)信息誤差控制在1mm 以內(nèi)。與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)誤差1cm 左右相比，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)精準(zhǔn)度整整提升了10 倍左右。最后，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，操作極為簡(jiǎn)單。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，是建立在激光光束基礎(chǔ)之上，且具有自動(dòng)化技術(shù)特色。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，與其他測(cè)繪技術(shù)相互融合，使得其操作流程和操作規(guī)范，都更加簡(jiǎn)單和明了。與傳統(tǒng)型的測(cè)繪技術(shù)相比，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，且操作極為容易和簡(jiǎn)單簡(jiǎn)潔[4]。

3 激光雷達(dá)測(cè)繪關(guān)鍵性技術(shù)類型

3.1 空間掃描技術(shù)

激光雷達(dá)測(cè)繪中的空間掃描技術(shù)，不僅包括掃描體制，而且還包括非掃描體制。從目前各地區(qū)激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐來看，我國大多數(shù)采用的是掃描體制。尤其是以機(jī)械式掃描更為突出。機(jī)械式掃描的頻次和頻率要高，而且利用不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型，可以獲得不同類型的掃描圖樣。與掃描體制相比，非掃描體制屬于二元光學(xué)新興分支，從目前來看實(shí)踐應(yīng)用極為不明顯，無論是掃描角度還是掃描透過率，都是比較低的。所以，非掃描體制從水利工程測(cè)繪中應(yīng)用較少。

3.2 終端信息處理技術(shù)

終端信息處理技術(shù)，屬于激光雷達(dá)測(cè)繪的重要技術(shù)組成。該處理系統(tǒng)不僅要解決掃描機(jī)、激光器以及各個(gè)信號(hào)處理器電路的關(guān)系，而且還需要協(xié)調(diào)接收機(jī)信息發(fā)送，包括目標(biāo)距離信息獲取，都屬于終端信息系統(tǒng)處理范圍。與此同時(shí)，終端信息處理技術(shù)，還需要完成信息的錄取，包括對(duì)三維圖像數(shù)據(jù)的采集等。目前終端信息處理技術(shù)，主要采取的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及大規(guī)模集成電路組合。在FPGA 技術(shù)加持下，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距單元的精準(zhǔn)化測(cè)量，在水利工程測(cè)繪中應(yīng)用廣泛[5]。

3.3 激光發(fā)射技術(shù)

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用中，絕對(duì)離不開激光發(fā)射技術(shù)。激光發(fā)射中常用到的設(shè)備，是激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)。激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)所選用的光源，是由氣體激光器以及半導(dǎo)體激光器組成的。舉例來講，半導(dǎo)體激光器屬于小型化激光器，該激光器工作物質(zhì)極多，往往多達(dá)幾十種。目前比較常見的激光方式，主要有高能電子束、電注入束、電泵束等。無論哪種類型的半導(dǎo)體激光束，都有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。例如，光束量子效率高、重量輕、體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)，而且所輸出的光束質(zhì)地極好。除了半導(dǎo)體激光器以外，氣體激光器也是應(yīng)用極為廣泛、種類眾多且輸出光波最豐富的激光器類型。與半導(dǎo)體激光器相比，氣體激光器輸出的波長(zhǎng)范圍更廣，而且氣體光學(xué)性效果更好，輸出的光束質(zhì)地均勻，而且光束的穩(wěn)定性極好[6]。

3.4 地面三維激光掃描技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)

激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維坐標(biāo)同步，快速準(zhǔn)確獲取，根據(jù)實(shí)時(shí)攝影數(shù)碼快照，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建來實(shí)現(xiàn)大型實(shí)體或場(chǎng)景目標(biāo)3D 數(shù)據(jù)模型的高科技技術(shù)。它的特點(diǎn)就是能夠客觀真實(shí)的再現(xiàn)事物的實(shí)時(shí)且真實(shí)的形態(tài)特征，從而快速獲取測(cè)量目的所需的相關(guān)空間信息。激光雷達(dá)技術(shù)根據(jù)載體的差異可分為地面三維激光掃描技術(shù)和機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)。首先，地面三維激光掃描技術(shù)，其載體即地面，它主要結(jié)合了激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)和GPS，從地面的角度對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行掃描成像，目的在于獲取激光反射回波數(shù)據(jù)和目標(biāo)表面影像，并通過軟件的三維數(shù)字模型重構(gòu)加強(qiáng)成像紋理的精確化貼加。其次，地面三維激光掃描系統(tǒng)，可以加載在地面，也可以搭載在移動(dòng)中的地上設(shè)施上，這樣能夠更好進(jìn)行連續(xù)的二維場(chǎng)景，以及目標(biāo)形態(tài)的空間數(shù)據(jù)采集工作開展。機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)作業(yè)如圖2 所示。

圖2 機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)作業(yè)

4 水利工程測(cè)繪中激光雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 采集數(shù)據(jù)

在水利工程測(cè)繪工作中，對(duì)于激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，要將數(shù)據(jù)和信息的采集放在首位。要始終根據(jù)事先設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)行激光雷達(dá)測(cè)繪應(yīng)用。對(duì)于每一次完成的數(shù)據(jù)信息采集，要同步進(jìn)行激光雷達(dá)系統(tǒng)檢查，保證數(shù)據(jù)信息采集的完整性和精準(zhǔn)性。對(duì)鎖定區(qū)域內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集，要對(duì)影響數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)、地面GPS 基站以及機(jī)載POS 數(shù)據(jù)等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。舉例來講，如果利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行多次水利工程測(cè)繪數(shù)據(jù)采集，要對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化處理。

4.2 數(shù)據(jù)處理

在水利工程測(cè)繪工作中，激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)于相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理，首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息預(yù)處理。激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，往往會(huì)受到GPS 外觀測(cè)條件及系統(tǒng)殘余誤差的影響，使得各航道之間的激光點(diǎn)，出現(xiàn)拼接誤差的問題。激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)踐性應(yīng)用，可以開展航帶間的匹配性工作，如有需要可以采取航帶重疊多余條件并加以利用。其次，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，還要進(jìn)行激光點(diǎn)云類別細(xì)化?？梢詫?duì)水利工程地表覆蓋類型進(jìn)行直觀性的反映。考慮到激光多回波容易穿透的特點(diǎn)，可以采取植被密集區(qū)激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水利工程原始地貌的精準(zhǔn)化信息采集。最后，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用時(shí)，還需要注重坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。激光雷達(dá)技術(shù)在水利工程測(cè)繪中的應(yīng)用，往往采取WGS84 坐標(biāo)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)完整坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換[7]。如有需要還可以實(shí)現(xiàn)從系統(tǒng)坐標(biāo)到用戶坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。對(duì)于激光雷達(dá)技術(shù)中的高程坐標(biāo)系統(tǒng)，則需要借助系統(tǒng)特定量和分布高程點(diǎn)作用，作為高程坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的依據(jù)。如果高程坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化出現(xiàn)異常，則需要結(jié)合激光數(shù)據(jù)信息驗(yàn)證，使得高程坐標(biāo)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化和快速化轉(zhuǎn)化。

4.3 保證激光點(diǎn)云平面高程精準(zhǔn)度

激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于水利工程測(cè)繪中，既要保證好平面數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)度，也要保證好高程信息數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。①平面精準(zhǔn)度提升。激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，要將平面檢查點(diǎn)直接分布于檢測(cè)區(qū)內(nèi)部，通過對(duì)水利工程側(cè)面激光點(diǎn)進(jìn)行信息提取，實(shí)現(xiàn)對(duì)云向水平面投影的快速化處理，從而獲得激光雷達(dá)測(cè)量中平面檢查點(diǎn)數(shù)據(jù)。一般而言，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用中，平面檢查點(diǎn)有效數(shù)量保持在24 個(gè)以內(nèi)即可。但是要保證激光點(diǎn)平面精準(zhǔn)程度，與設(shè)備標(biāo)稱平面精度的要求相吻合[8]。②高程精準(zhǔn)度提升。在檢驗(yàn)激光點(diǎn)云高程精準(zhǔn)度過程中，一般會(huì)選擇使用經(jīng)過分類以后的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并構(gòu)建地面模型，和實(shí)際測(cè)量高程點(diǎn)展開對(duì)比與誤差統(tǒng)計(jì)。在統(tǒng)計(jì)誤差的過程中，可以將激光點(diǎn)細(xì)化成，硬質(zhì)裸露地面高程檢查點(diǎn)與普通山地高程檢查點(diǎn)兩種。一般而言，高程檢查點(diǎn)往往要分布于平緩地面位置。對(duì)于檢查點(diǎn)實(shí)際測(cè)量中的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)需求，要與激光數(shù)據(jù)處于同一坐標(biāo)系統(tǒng)中。

4.4 應(yīng)用于水下地形測(cè)量工作

激光雷達(dá)技術(shù)的廣泛性應(yīng)用，具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其對(duì)一些水利工程隱藏勘察項(xiàng)目中，激光雷達(dá)技術(shù)同樣有著極為有效的工作效果。例如，將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，直接用于水下地形測(cè)量工作中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水下地形的精準(zhǔn)化監(jiān)測(cè)。在進(jìn)行地下水位地形測(cè)量時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)，主要是依靠?jī)煞N不同波長(zhǎng)的激光束進(jìn)行測(cè)量，可以使得地下水位及地形特點(diǎn)，真實(shí)化和形象化的展示出來。激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用中，可以進(jìn)行大面積的水下測(cè)量工作開展，甚至在水利工程河道測(cè)量中，也可以獲得良好的測(cè)量效果。根據(jù)之前激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，激光束測(cè)量深度最深可以達(dá)到50 多米，而且本質(zhì)上的測(cè)量效果，還會(huì)受到河道水質(zhì)的影響。比如，當(dāng)河道水質(zhì)較為清晰的時(shí)候，測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高些；而水質(zhì)不好的時(shí)候，則測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度會(huì)低些。但無論如何，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，在水下地形測(cè)量工作中，都可以取得良好的測(cè)量結(jié)果，可以為水利工程測(cè)繪工作的開展提供幫助。

5 結(jié)語

綜上所述，現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，大大提升了水利工程測(cè)繪水平和效益。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及人工智能技術(shù)加持下，激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)得到廣泛性應(yīng)用。激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)，具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用到水利工程測(cè)繪工作中，可以有效提高測(cè)繪效率以及測(cè)繪質(zhì)量，從而獲得比較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，保障水利工程建設(shè)品質(zhì)和效益提升。現(xiàn)代化測(cè)繪工程建設(shè)背景下，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用，會(huì)伴隨著新型科學(xué)技術(shù)演變，不斷得到技術(shù)成熟完善，而且會(huì)越來越多應(yīng)用到各行各業(yè)中。探討新時(shí)期水利工程測(cè)繪中，激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用事項(xiàng)，拓寬激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，將會(huì)大大刺激我國工程測(cè)繪行業(yè)的健康和可持續(xù)性發(fā)展。