LiDAR技术在形变测量中的应用
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时间：2017-10-07
1 LiDAR原理
LiDAR技术是基于时间可精确记录技术的前提下，利用激光发射与接收时间计算激光发射点距离测量对象的距离。LiDAR测量获取的原始数据为包含高程信息、激光回波强度信息的数据点所组成的点云格式，其精度与测量系统距离被测对象之间的距离、地面控制点的测量精度、天气状况等相关[3]。LiDAR传感器如果发射激光束后会迅速传播到地面或者目标表面，然后再经过表面反射，反射信号将被传感器感应并记录存储为一个电信号。如果精确记录了发射和接受时刻的时间，那么经过计算可以容易得到接受时刻和发射时刻两者的差值。激光发射器发射完一束离散的光脉冲后，光脉冲以光速传播到地表并反射，接收器会在下一个光脉冲发出前收到一个被反射回来的光脉冲，通过记录红外线激光反射到目标上的时间来测出两者之间的距离。具体实现方法有相位法、变频法和脉冲法，常用的是相位法和脉冲法，脉冲法直接量测脉冲信号来传播时间，相位法是量测连续波信号的相位差间接确定传播时间[4]。如果物体的表面处于高低不平形状，在地面用三维激光扫描仪进行扫描，可获得反射物体的表面形貌图，使用机载LiDAR系统，其航测制图通过软件处理很容易合并到各种数字图件中，可以获取高精度的数字等高图、DEM和等高线等[5]。
LiDAR系统集成了多种高新技术，采用非接触式主动测量方式的对地观测系统。该技术近年来成绩斐然，已在三维空间信息的实时获取和高分辨率地球空间信息获取方面取得了重大突破，且具有受气候影响小、自动化程度高、数据生成周期短和数据精度高等特点。随着LiDAR测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升以及价格的逐步下降，其应用越来越广泛。按照传感器搭载平台的不同，LiDAR系统可以分为星载LiDAR、机載LiDAR、车载LiDAR和地基LiDAR等四种系统。
2 实例应用
以某段高速公路为应用实例，公路属于平地结合的地形，周边植物覆盖率较低。此次根据项目情况选用了机载LiDAR系统。机载LiDAR技术是计算机技术、激光测距技术、高精度动态GPS差分定位技术和高精度动态载体姿态测量技术等多种高新技术快速发展的集中体现，主要用于获取大范围高精度的数字地面模型和城市表面模型。该系统主要包括有： 动态差分GPS接收机，用来确定扫描投影中心的空间位置；激光扫描测距系统，用来测量传感器到地面的有效距离；姿态测量装置IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量装置），用来测量扫描装置主光轴的空间姿态参数；成像装置，用于产生对应地面的彩色数码影像数据，用于最终制作正射影像图件。
机载LiDAR在此次应用中的主要工作步骤有：（1）前期准备工作。主要包括机载LiDAR系统安装在飞行器上后需要对系统进行相关参数设置和系统检校和参数设置，还有地面GPS基准站的设置，其中LIDAR数据的精度与航摄高度参数设置有关。（2）LiDAR数据的处理。LiDAR航摄飞行结束后，需首先对飞行数据进行复核，然后在进入数据处理流程。通过对原始数据解码，POS及激光数据的处理构建数字化立体作业平台，恢复对高速公路及周边环境测区的立体模型及进行优化处理。通过DEM数据，正射影像数据，以实测的激光点云数据为基础建立的三维实体，能从不同角度对既定目标点进行观测。（3）生产专题地图。通过对LiDAR数据的处理，最终可以制作高速公路地形图，平断面图和数字等高图等。应用效果表明，LiDAR技术达到了预期目标，其观测手段是可行的。
机载LiDAR技术是近十多年来迅速发展并快速走向实用化的一种新型遥感高新技术，LiDAR数据对空间信息提取便利的同时，其扫描带中的数据分布不均匀及LiDAR数据存在空隙、噪声等问题，也对实际应用提出了挑战[6]，包括数据的处理速度等都提出可更高的要求。
3 结束语
实践表明，LiDAR技术将观测方式由传统的单点数据获取改成面或者体的数据的获取，提高了观测的速度和精度，能快速地获取测区精确的三维坐标及数字高程模型，更有效地精细铺捉测区地物局部变化特征，同时配合正射影像增强了对测区特征的认知识别能力，提高了工作效率，减少了劳动强度，节省了人力资源，这些优势使得LiDAR技术在形变测量领域具有广阔的应用需求和发展前景。
参考文献：
[1]苏建锋，张东涛.天津某深基坑现场监测实例分析[J].施工技术，2015（S2）：128-130.
[2]陈富强.机载LIDAR技术的优势及应用前景研究[J].北京测绘，2013（02）：12-14.
[3]周学文.LIDAR技术在电力线路工程中的应用[J].测绘科学，2010（05）：83-85.
[4]靳克强，龚志辉，汤志强，等.机载LiDAR技术原理及其几点应用分析[J].测绘与空间地理信息，2011（01）：144-146.
[5]任治坤，陈涛，张会平，等.LiDAR技术在活动构造研究中的应用[J].地质学报，2014（06）：1196-1207.
[6]苏建锋，薄万举.高噪声背景下GNSS垂向分量应用探讨[J].地震，2016（01）：105-116.
LiDAR技术是基于时间可精确记录技术的前提下，利用激光发射与接收时间计算激光发射点距离测量对象的距离。LiDAR测量获取的原始数据为包含高程信息、激光回波强度信息的数据点所组成的点云格式，其精度与测量系统距离被测对象之间的距离、地面控制点的测量精度、天气状况等相关[3]。LiDAR传感器如果发射激光束后会迅速传播到地面或者目标表面，然后再经过表面反射，反射信号将被传感器感应并记录存储为一个电信号。如果精确记录了发射和接受时刻的时间，那么经过计算可以容易得到接受时刻和发射时刻两者的差值。激光发射器发射完一束离散的光脉冲后，光脉冲以光速传播到地表并反射，接收器会在下一个光脉冲发出前收到一个被反射回来的光脉冲，通过记录红外线激光反射到目标上的时间来测出两者之间的距离。具体实现方法有相位法、变频法和脉冲法，常用的是相位法和脉冲法，脉冲法直接量测脉冲信号来传播时间，相位法是量测连续波信号的相位差间接确定传播时间[4]。如果物体的表面处于高低不平形状，在地面用三维激光扫描仪进行扫描，可获得反射物体的表面形貌图，使用机载LiDAR系统，其航测制图通过软件处理很容易合并到各种数字图件中，可以获取高精度的数字等高图、DEM和等高线等[5]。
LiDAR系统集成了多种高新技术，采用非接触式主动测量方式的对地观测系统。该技术近年来成绩斐然，已在三维空间信息的实时获取和高分辨率地球空间信息获取方面取得了重大突破，且具有受气候影响小、自动化程度高、数据生成周期短和数据精度高等特点。随着LiDAR测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升以及价格的逐步下降，其应用越来越广泛。按照传感器搭载平台的不同，LiDAR系统可以分为星载LiDAR、机載LiDAR、车载LiDAR和地基LiDAR等四种系统。
2 实例应用
以某段高速公路为应用实例，公路属于平地结合的地形，周边植物覆盖率较低。此次根据项目情况选用了机载LiDAR系统。机载LiDAR技术是计算机技术、激光测距技术、高精度动态GPS差分定位技术和高精度动态载体姿态测量技术等多种高新技术快速发展的集中体现，主要用于获取大范围高精度的数字地面模型和城市表面模型。该系统主要包括有： 动态差分GPS接收机，用来确定扫描投影中心的空间位置；激光扫描测距系统，用来测量传感器到地面的有效距离；姿态测量装置IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量装置），用来测量扫描装置主光轴的空间姿态参数；成像装置，用于产生对应地面的彩色数码影像数据，用于最终制作正射影像图件。
机载LiDAR在此次应用中的主要工作步骤有：（1）前期准备工作。主要包括机载LiDAR系统安装在飞行器上后需要对系统进行相关参数设置和系统检校和参数设置，还有地面GPS基准站的设置，其中LIDAR数据的精度与航摄高度参数设置有关。（2）LiDAR数据的处理。LiDAR航摄飞行结束后，需首先对飞行数据进行复核，然后在进入数据处理流程。通过对原始数据解码，POS及激光数据的处理构建数字化立体作业平台，恢复对高速公路及周边环境测区的立体模型及进行优化处理。通过DEM数据，正射影像数据，以实测的激光点云数据为基础建立的三维实体，能从不同角度对既定目标点进行观测。（3）生产专题地图。通过对LiDAR数据的处理，最终可以制作高速公路地形图，平断面图和数字等高图等。应用效果表明，LiDAR技术达到了预期目标，其观测手段是可行的。
机载LiDAR技术是近十多年来迅速发展并快速走向实用化的一种新型遥感高新技术，LiDAR数据对空间信息提取便利的同时，其扫描带中的数据分布不均匀及LiDAR数据存在空隙、噪声等问题，也对实际应用提出了挑战[6]，包括数据的处理速度等都提出可更高的要求。
3 结束语
实践表明，LiDAR技术将观测方式由传统的单点数据获取改成面或者体的数据的获取，提高了观测的速度和精度，能快速地获取测区精确的三维坐标及数字高程模型，更有效地精细铺捉测区地物局部变化特征，同时配合正射影像增强了对测区特征的认知识别能力，提高了工作效率，减少了劳动强度，节省了人力资源，这些优势使得LiDAR技术在形变测量领域具有广阔的应用需求和发展前景。
参考文献：
[1]苏建锋，张东涛.天津某深基坑现场监测实例分析[J].施工技术，2015（S2）：128-130.
[2]陈富强.机载LIDAR技术的优势及应用前景研究[J].北京测绘，2013（02）：12-14.
[3]周学文.LIDAR技术在电力线路工程中的应用[J].测绘科学，2010（05）：83-85.
[4]靳克强，龚志辉，汤志强，等.机载LiDAR技术原理及其几点应用分析[J].测绘与空间地理信息，2011（01）：144-146.
[5]任治坤，陈涛，张会平，等.LiDAR技术在活动构造研究中的应用[J].地质学报，2014（06）：1196-1207.
[6]苏建锋，薄万举.高噪声背景下GNSS垂向分量应用探讨[J].地震，2016（01）：105-116.
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