激光雷达地形测绘遥感技术的分析

陈诚方，王晓磊

（杭州通泰测绘有限公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

激光雷达地形测绘遥感技术在实际工程测绘工作中，可在整个检测过程中以高度的准确性与有效性不断提升测绘工程检测效率，并解决一些紧急事件。总之，在激光雷达地形测绘遥感技术的应用中，可以大大提高基础测绘保障水平，推动基础地理信息数据的更新速度，深入推进智慧工程发展效用。

1 激光雷达地形测绘遥感技术概述

1.1 激光雷达地形测绘遥感技术介绍

（1）关于激光雷达地形测绘遥感技术的基本构成及其在地面测量中的作用。其中，包括激光发射、信号探测、物质扫描和信号加工等。这些技术与综合雷达技术相融合，为实现高精度的地形图提供了有利的环境。

（2）激光雷达地形测绘遥感技术在进行实际测量时，所面临的问题如下：如何提高测量技术水平，节约相应能源，推动测量工作快速发展。随着技术的进步，雷达发射器的质量、尺寸都要比空间分辨率更高，能检测到较弱的信号，这在某种程度上是节约了激光器的发射频率。

（3）激光雷达地形测绘遥感技术它是采集数据的一种方法，在进行测量时，要根据探测到的目标，利用所产生的频谱数据，判断出对应的地貌特性，实现地图绘制，其中影像的加工技术直接关系到最后资料和影像的准确性。在进行测量时，测量的参数越精确，测量方法就会变得更加精确。

目前，该技术被广泛用于实际的质量安全检测工序中，其优势显著，不仅降低了人力、物力成本，还减少了环境污染，节省了大量的时间，并提高了作业安全性。

1.2 激光雷达回波

激光雷达回波需按照自身反射机制，运用发射的激光脉冲使其与物体产生反射，其物体包括植被与建筑物等，一束激光脉冲可以回到一个或更多的回波传感器中，任何一束激光在到达地面时，若碰到多个反射面，即分解为相同数量的反射面。第一个返回的激光脉冲为雷达回波的关键，会和地面上的最高元素联系起来，例如树冠或者大楼的顶端，第一个回波也可以代表一个地面，此时的激光雷达只能探测到一个回波，多个回波可以探测到多个物体在外照射的激光脉冲的激光交叉处的高度。中间回波一般与植物构造相对应，最后的反射则与裸露的地面特雷恩模式相一致，其回波并不一定需要从地面发射。

1.3 激光雷达点属性

基于激光雷达点属性其信息被储存在每个x，y，z的位置，其中包括强度，回波号码，回波数目等等。下文提出了具体的内容。

（1）激光雷达属性。一次发射的激光脉冲能产生五次以上的回波，这依赖于激光脉冲的反射成分和用于收集资料的激光扫描器的作用。第一个回声将被标注为1，以此类推。

（2）回波数。回波数目是指，针对特定脉冲所产生数量。例如，一个激光数据点可以是五个回波数目的第二个。

（3）点分类。每一个激光雷达点都可以定义被反射的目标的种类。雷达点可分为地面、地表面以及冠层顶部、水面。在LAS 档案中使用数字整型程式码来定义不同的类别。

（4）飞行路线的边界，以0 或1 为基础，以1-1 为符号。在飞行路线的边沿上标注的点会被指定为1，其余的点会被指定为0。

（5）RGB。RGB（红色、绿色和蓝色）频带可以被用作激光雷达数据的属性。这个特性一般是从激光雷达测量中获取的图像。

（6）GPS 时间。GPS 时间标记用于从飞机上发射的激光。该时间用GPS 一星期的秒数来表达。

（7）扫描角度。扫描角度为-90°~+90°。在0°时，激光脉冲正好处于飞行器的底部。在-90°时，激光脉冲位于机身的左边；在+90°时，激光脉冲位于机身的右侧，与飞行方向一致。目前大部分的激光雷达系统在±30°以下。

（8）扫描方向，在激光脉冲向外辐射时，扫描反射镜的运动方向。1 表示正向扫描；0 的数值表示负向的扫描。正代表扫描器从轨道的左边向右边运动，而负的数值则是反向运动。

1.4 点云

点云是对激光雷达进行了空间组织后的点云数据。最初的点云是一个庞大的三维高度点，它包含了其他属性，如x 值、y 值、z 值以及GPS 时间标记。最初的雷达点云经后处理，可以将激光碰到的具体表面元素归类。其中包括地面，建筑物以及任何在测量时所接触到的目标等都可形成点云数据[1]。

1.5 激光雷达强度数据

激光雷达强度是按照其反映指标，明确回波强度以及各个点收集类型后所测量的指数。这个数值是根据被激光雷达脉冲扫描物体的反射系数而产生，其反射属于波长函数，一般为近红外波段。回波强度取决于被反射的物体的成分可以利用强度来协助元素探测和抽取，并对激光雷达点分类进行分析，也可以作为航空图像的替代品。由于强度是相对的，而非定量的，所以在同一目标上，不同的飞行高度和高度都无法获得同样的数值。例如，若基于激光雷达数据，其数据中包括强度值，为此可利用此类强度绘制出黑白图像[2]。

1.6 激光雷达与雷达的区别

激光雷达与雷达的区别就和名字一样简单易懂，激光雷达即为，发射激光的雷达。在原理上基本类似，只是激光雷达发射的是一条直线的光束，而雷达发射出去的是一个锥状的电磁波波束、按照用途，我们可以把激光传感器分为两类，即避障级和高精度测绘级，通过对比可以发现在一些关键参数上，如角分辨率、视场角、测量距离、测量速率、测量精度、多次回波技术、多周期回波技术等，这两类激光传感器有较大差别。

测绘激光雷达是将激光传感器、GNSS、IMU 和相机集成在一起的一个系统，通过各个传感器的参数标定，可以精确计算出传感器之间的位置偏差，以及不同坐标系间转换所用到的旋转角，从而将获取的点云数据的相对坐标转换成大地坐标。在使用激光雷达做测绘时，一般可以采用汽车、无人机、有人机等移动平台作为载体，将移动中的激光原始数据、GNSS 数据、IMU 数据，后期通过Postˉprocessing 模式的后处理得到厘米级精度POS 数据，基于POS 和原始激光数据生成我们常常看到的激光点云成果[3]。

2 激光雷达地形测绘遥感技术特征与优势分析

2.1 使用广泛

激光雷达地形测绘遥感技术是一项非常重要的技术，该技术扫描速度非常的快，可以极大地提高测量的效率，而且还可以在较短的时间内，利用各种方法来获取更多的信息。尤其是在很困难的情况下，该技术也能够准确地把握物体的状况，既节约了大量的人力，又为深入的研究对象提供了良好的数据资料。

例如，测距，测量距离与激光发射频率、地面实际反射率、最大探测距离、最大反射率、最大反射率约为ρ≥60%（部分甚至ρ≤90%），而测量距离则与激光发射频率成反比，发射频率愈高，则测量距离愈短。

又如，测定速率，通常用最大的激光脉冲发射频率表示，如RIEGL 的VUXˉ1UAV，其最大激光发射频率为50000 点/s，而微型VUXˉ1UAV 为100000 点/s。

2.2 动态捕捉

激光雷达地形测绘遥感技术通过其相关程序进行设计，可在一定程度上针对关键测绘地域进行重复性检测，经过多次的测试，将这些信息进行汇总，最终得到区域地图的通用信息，并且可以进行有效的核实，确保了这些信息的准确率，同时也可以防止一些特殊情况的干扰。另外，它还可以为今后的测绘工作，提供实际检测效率，例如，在长期检测工作中，为避免时间出现浪费现象，应合理利用该技术进行动态捕捉以获取准确的测量信息，如天文现象、水文环境等。与此同时，在工程测绘工作中，其实际的监测尺寸在随着工程需求不断提高。就目前激光雷达地形测绘遥感技术发展来看，其当前的应用优势提高了监测的尺度比，并且对于小范围的物体检测来说，激光雷达地形测绘遥感技术已经形成了一定专业化的监测流程。

2.3 数据全面

该技术在检测中其范围较为广泛，为此检测内容较多。从宏观层面进行分析，由于地球上一切自然演变与人文社会发展都可以进行监测，但在实际地形测绘中，应该合理利用该技术针对地域土壤、自然事物、水文等进行数据收集与分析，并以分析得出实际地域情况，在有效确保测绘工作全面性时也促进了数据的有效性。

3 激光雷达地形测绘遥感技术实际应用分析

3.1 激光雷达地形测绘遥感技术应用范围

根据常见的电磁段，激光雷达地形测绘遥感技术可以划分成可见光、红外、多段、紫外和微波。目前，我国的遥感技术发展趋势是：增强遥感器的解析度，充分发挥信息的能力，开发先进的遥感器、信息传输和数据处理装置，使其能够全天工作，并能及时获取信息。遥感平台是一种带有探测作用的载体，根据其海拔一般可划分为地面平台、空中平台和空间平台。地面上的平台包括三脚架、遥感塔、遥感（船）、楼顶等，主要是对地表进行短程的探测，获取实验所需的详细图像；高空平台包括在大气中飞行的飞机、飞艇、气球等；以及在大气层之外的飞行器，如航天飞机、火箭等。不同海拔的卫星可以得到不同区域、不同分辨率的影像资料。在遥感领域，3 种类型的卫星定位系统可以相互补充、协同工作[2]。

而遥感器就是用来探测周围的物体或者是对周围的电磁信号进行反射的设备。目前常用的20 多种，除了红外照相机、红外照相机、紫外线照相机外，还包括红外扫描仪、多光谱扫描仪、微波散射仪、侧视雷达、专题成像仪、成像光谱仪等。该遥测器通过校正、变换、分解、组合等数学处理，提供给使用者分析、解读，或利用GIS 及专业技术，制作成主题图或统计图，为资源勘察、环境监测、国土测绘提供资讯。遥感技术发展到了多光谱、多极化、微型化、高解析度等方面。

目前，中国已经发射了20 多颗遥感气象卫星，并取得了全球最多、最全的气象卫星，并建成了卫星遥感地面观测平台、卫星气象观测中心、影像数据处理、电脑绘图等。随着现代科学技术的飞速发展，电子技术和计算机技术的飞速发展，使得遥感技术向高分辨率、高精度、高精度、全天候、实时抗干扰、实时等方向发展，在目标监测、地物分类和大数据分析等方面具有广阔的应用前景[4]。

3.2 环境治理应用

（1）黑臭河是当前我国水质恶化的一个极端问题。省、市、自治区、直辖市人民政府近日宣布，要根据调查结果，制订出市级城市污水整治规划，争取在“十四五”期间全部完成。在黑臭水体的防治中，筛选与监控方法是十分必要的。常规的筛选与监控方法，要求人员到工地进行，成本高，覆盖面小，数据处理速度缓慢。但利用激光雷达地形测绘遥感技术，可成功地突破了水质定量化、大规模批量处理等科学问题，并建立了以高质量、高批量处理技术为主要技术支撑的污水系统。然而，除黑河流域外，还存在着许多问题。目前，在气象、地球资源普查、环境污染监测、地震监测、海洋监测、土地利用规划、植被分类、作物产量调查以及作物病害监测等领域中，激光雷达地形测绘遥感技术已经得到了越来越多的应用。

（2）在测绘工程中，很多工程类型都对测绘提出了一定的要求。但相应的数据和图像信息对于实际工程建设比较重要，因此应利用激光雷达地形测绘遥感技术实现对工程全方位的测量，并在特殊目标获取方面提高优势。在借助激光雷达地形测绘遥感技术对特殊目标进行获取时，可有效提高准确性，并使所有影像资料精度更高，避免了传统测绘中出现的图形质量差、位置不对等情况[5]。

4 结语

综上所述，在激光雷达地形测绘遥感技术快速发展下，该技术已经逐渐成为全面应用的新型技术，该技术可结合其他技术为测绘行业提供有力的数据支持，其激光雷达地形测绘遥感技术在很大程度上减少了工程测绘中需要的人力与物力资源，相信该技术在未来发展一定可以更加完善。