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LIDAR的技术原理以及在测绘中的应用

作者:飞燕遥感 发布日期:2018-06-01 00:00 浏览量:300

  一.前言

  Lidar技术是现代雷达技术的英文名称,该项技术是伴随着社会对空间三维坐标的精确定位而发展起来的。由于该项技术是对激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)这三种技术的一种全新的融合和创新,因此该项技术的很多原理和应用对于很多人来说还是比较陌生的。该项技术可以通过对空间的实时摄影,然后通过计算机将这些图片和实体制作成三维数据,从而再现客观事物的真是形态,这是目前人类对空间信息获取方式的最新体现。Lidar技术根据其使用的载体的不同,可以将其分为激光扫描技术和机载激光雷达扫描技术。这两种技术分类有其固有的好处和特点。该项技术是新的空间信息方面的技术,因此我们需要对其工作原理及其应用作出具体的分析。本文主要是从该项技术的原理和应用两方面来做探讨的。


  二.Lidar技术的工作原理分析

  激光技术同普通的光波技术相比,具有很强的优越性,因为激光技术不容易受到大气环境、太阳光线、紫外线的影响,这就为人们提高的数据信息的收集能力。激光技术的工作原理是当激光照射到某一物体上时,只要该物体不存在方向反射的问题,那么激光就可以将一定的光波给反射回去,从而这些光波信号就会被主系统所接收,这样相关仪器就可以计算出激光到相关物体的距离,因为已知接收时间。


  在最新的Lidar技术中,只要Lidar接收到来自激光反射的光波信号后,就可以准确的计算出每一个激光点的数据坐标信息,当大量的激光点聚集在一起的时候,就会组成一个巨大的团,这就成为了点云图像,这些就是激光的工作原理。


  激光反射的频率十分的高,它可以每秒钟反射几万个脉冲,而激光接收器就可以在一分钟内记录数十万计个光点。这个计量是十分可观的,当然,由于激光点不会始终打在一个点上,例如它有可能在第一次打在树冠上,第二次就有可能打在树叶上,那么这样就形成一个三维的激光点,即可以形成X,Y,Z这样的三维坐标,利用这个特点,我们就可以获得地面的高程,周围情况等很多信息,这正是Lidar技术的特点和工作要求。


  我们通过利用Lidar技术的,同时将多个这样的载体进行系统的作业,就可以将定位坐标的精度精确到0. 15至1 m,对高度就可以精确到10 cm至30 cm,对地面的分辨率更是能够达到厘米的程度,通过这些精确的信息数据,我们就可以清晰的掌握某一地区的地理位置和地理特点,提供更加精确的三维信息。


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  三.Lidar技术在测绘中的相关应用分析

  1.Lidar技术可以在测绘中高效快捷的获取数字高程模型

  Lidar技术的的最主要的特点就是可以在测绘中获取高精度、高精确的激光数据,由于这些数据反射成一个三维的数据坐标,因此,通过人工的处理和分析,就可以讲相关的信息植入到一个不贵侧的三角网里,这些信息包括某一地区的植被、房屋、河流等基本的地理信息,通过这个三角网,我们就可以迅速的获取DEM。由于Lidar技术的激光点密度很高,所以就可以利用这个高密度的特点,生产出一些高进度、具有较高分辨率的DEM出来,这是测绘的基础应用。


  2.Lidar技术在基础测绘中的应用

  高程模型是基础测绘的一个方面,同时基础测绘还包括其他几个方面,分别是正射影像、数字线划地图和数字栅格地图,这些产品的出现,离不开高进度的三维信息的支持。


  3.Lidar应用于测绘中的精密工程测量工作

  测绘中的许多精密的测量工作,对于三维信息的精确性都提出了很高的要求,甚至有的精密测量还需要建立相关的模型。例如矿山和隧道测量、水文测量、沉降测量等很多的精密测量,这些测量都需要高精度的三维数据信息。Lidar技术就可以帮助他们提供高精度的三维坐标信息,它通过提供一些高分辨率的三维图片,使得测绘工作中的精密测量变得十分容易。

  例如:Lidar技术为公路、铁路的设计提供了许多高精度的三维表表信息,从而版主公路、铁路的设计建立DEM模型,方便了公路、铁路的施工土方量的精确计算。


  4.数字城市建设

  数字城市是21世纪以来,很多地方正在力争构建的信息化目标。空间信息作为数字城市的基础框架和平台,是构建数字城市的重要研究课题。Lidar系统可以获取高分辨率、高精度的数字地面模型和数字正射影像,提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源,因此是数字城市建设的重要技术力量。

  数字城市还需要构建高精度、真三维、可量测,具有真实感的城市三维模型作为管理城市的虚拟平台。但是采用传统技术,进行城市三维建模是精雕细琢的工艺,工作量很大,效率非常低,而且效果并不好,影响了数字城市服务面的宽度和深度。利用Lidar技术对地面建筑物进行空中激光扫描或地面多角度激光扫描,可以快速获取目标高密度高精度的三维点坐标,在软件支持下对点云数据进行模型构建和纹理映射,很方面地构建大面积的城市三维模型。并可以实施快速动态更新,为数字城市建设基础数据源的持续性、历史性提供了确实的保障。


  5.水下地形测量

  有些Lidar系统,采用了两种不同波长的激光束还可以对水底进行测量。比如,SHOALS系统在采用红光(或红外光)测量水面的同时,用蓝绿光穿透水面测量水底,通过这两个光束的接收时间差计算水的深度,因此可以进行大面积的水下地形测量。通常情况下,海道测量Lidar所能测量的海水深度为50 m,此一深度随水质清晰度的不同而变化,为航道、近海海洋、水文等行业的人士所推崇。


  四.结束语

  Lidar技术是现代测绘技术的发展前沿,该项技术在现代测绘实践中的作用已经表象的越来越明显。该项技术的发展,是对激光、全球定位系统和惯性导航系统的一种发展,这项技术的工作原理和前面三项技术有很大的不同,但是基本的理论思路是一样的,该项技术不仅仅是在测绘方面有广泛的价值,同时在人们生活的方方面面都尤其独到的作用。该项技术的发展是人类技术的进步,同时这也更加促进未来人类Lidar技术能够取得更大的进步。


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