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激光雷达测量讲解:全面介绍

作者:Kourtney Kirton| 2024年10月17日

激光雷达(光探测与测距)使用激光测量代表世界的数据点。测量人员使用三维模型绘制地形图、捕捉建筑物等。

 

测量概述

自古埃及以来,测量就一直是决策的重要依据,在为税收目的确定财产边界和管理新获得的土地等任务中发挥着关键作用。

最初,测量是通过手工方法完成的,如使用杆和链条、罗盘、铅锤和大量手写计算来确定相对距离。如今,测量基础知识在社会中仍占据核心地位。我们的客户NavVis 描述说,他们的一些现有流程仍然严重依赖图纸来测量复杂的建筑物。

在摄影测量技术出现之前,技术一直在进步,可以利用从地面或空中拍摄的照片绘制地形图。

随后,在 20 世纪 90 年代末,特别是 2000 年以后,激光雷达扫描(LiDAR 和 LIDAR 也是正确的写法)开始成为测量的新标准。激光雷达是 "Light Detection and Ranging(光探测和测距)"的缩写,它使用激光扫描环境,并以大量数据点的形式表示出来。

利用激光雷达收集的这种 "点云 "数据可用于绘制详细的二维和三维地图,包括CAD 线图、地形图和等高线图、数字高程模型(DEM)以及街道和建筑物的其他各种模型和可视化效果。这使其成为改变土地测量游戏规则的技术。

 

激光雷达技术介绍

需要记住的一个重要激光雷达原理是 "飞行时间"。激光雷达设备发出的快速激光脉冲会在地形上反弹,然后返回传感器。飞行时间是指激光脉冲往返所需的时间。

知道了激光的时间和速度(即光速),计算机就能计算出激光的移动距离(距离 = 速度 x 时间),从而得出激光在环境中反弹的确切位置。

注意:激光记录位置的角度对于了解该激光脉冲的位置同样重要。 

进行数百万次这样的测量,就能得到设备周围环境的精确模型。收集到的 "数据点 "统称为点云:关于点云,你需要知道的一切。如果将这些数据与来自摄像头的彩色数据精确地结合在一起,那么这些数据的可视化效果就会是这样:

激光雷达扫描仪有三个关键部件需要注意:

  • 激光光源发射近红外激光,扫描环境,跟踪激光的角度,并将其转换为红外光。
  • 记录反射激光脉冲的激光接收器
  • 计时和定位系统,如 GPS 或IMU (惯性测量单元)。

 

激光雷达勘测类型

激光雷达扫描设备的形式多种多样,既有在地面上使用的设备,也有从空中进行扫描的无人机。

航空激光雷达勘测中,扫描仪安装在飞机、直升机或无人机上。这样可以快速覆盖更广阔的区域,但需要额外的成本,而且通常密度较低。

地面激光雷达勘测中,架站仪 ,也称为TLS。其形式可以是安装在三脚架上的固定装置,也可以是由勘测人员携带或安装在车辆上的移动解决方案(通常称为 MTLS 或 MMS)。

在 TLS 工作流程示例中,测量师 将与全站仪、激光跟踪仪或全球导航卫星系统建立控制网络。测量师 返回办公室后,他们将一起登记扫描结果、整理照片并生成交付成果。

NavVis MLX 或NavVis VLX 3 等可穿戴激光雷达扫描解决方案在某种程度上也是两者的结合。这些设备以地理参照、逼真点云和高清 360 全景的形式,以步行速度捕捉环境的精确地形细节,可与固定式 TLS 无缝结合使用。

 

激光雷达测量的优势

与摄影测量不同,激光雷达扫描可用于创建三维模型,在任何光线条件下都能工作,并能穿透密集的地物,提供照片根本无法看到的信息。它还是一种灵活的采集方法,在测量固定建筑物、结构或景观时同样有效。

总而言之,激光雷达的优势在于

  • 高精度和准确性
  • 数据收集的速度和效率
  • 适用于各种环境和条件
  • 与传统方法相比具有成本效益

如果与同步定位和绘图 (SLAM) 技术结合使用,激光雷达扫描的优势将成倍增加:扫描位置变得更加快捷,包括危险区域或几何形状复杂的区域。

 

激光雷达勘测的实际应用

激光雷达技术在持证测量师的工具箱中随处可见,他们从事的项目包括(但不限于):

  • 地形测量和详细测量
  • 建筑测量调查
  • 基础设施勘测,如道路或桥梁勘测

地形测量,有时也称为地形图或详图测量,绘制地块的边界和特征。它绘制出当前地形条件的精确地图,通常是为工程或施工 项目做准备。

建筑测量调查将包括室内和室外(如外墙和庭院)的各种竣工结构。由此产生的数字模型和可视化表现形式可作为记录、修复或保护遗产地的参考。

道路勘测不仅会绘制道路地图,还会绘制相关物体(也称为街道设施)的地图,例如路缘石、标志牌、灯柱和长凳。

调查可交付成果可能包括

  • 轮廓线
  • 界线
  • 自然特征
  • 建筑

它们在各行各业都很重要,包括:

  • 城市规划与发展
  • 施工 和基础设施项目
  • 环境监测和保护
  • 设施管理和建筑信息模型 (BIM)
  • 政府和市政用途

 

激光雷达测量成果

数字高程模型(DEM):地球裸露表面(不包括自然地貌)的三维表示。以固定的间隔表示海拔值。

数字地形模型(DTM):用河流、植被等自然特征增强 DEM 的三维模型。

3D 建筑模型:地理定位模型:标明场地内任何建筑的位置、布局和尺寸的模型。

计算机辅助设计 (CAD) 地图:二维地图,使用点和线图来标示所有必要的细节和特征。

 

激光雷达测量实际应用A案例分析

英国巴斯的 Sova Surveys 公司与一位回访客户取得联系,为其翻新项目制作威尔士马尔加姆城堡的BIM 模型。

该工作流程使用了多种类型的激光雷达扫描仪,包括固定式 TLS 和NavVis VLX ,以获得所需的精度,但其速度远远高于 TLS 本身所能达到的速度。

他们使用全站仪设置了一个最小的控制网络:外部四个点,内部每层五个点。然后,使用 Trimble TLS 捕捉建筑的 "脊柱",即走廊等连接空间。他们还使用 TLS 捕捉计划以 LOD400 建模的区域,如中央楼梯。

为了设定NavVis VLX 扫描的控制,他们使用 Trimble 的集成激光指示器边扫描边做标记。"他们报告说:"这样,我们就有了所有需要的控制,而无需再次使用全站仪。然后,只需使用NavVis VLX 在城堡上行走,就可以完成点云并捕捉到全面的全景图像。

在此阅读案例分析 全文:索瓦勘测公司在马加姆城堡的扫描到BIM 成功 →。

 

选择调查扫描解决方案的提示

规划调查时需要考虑的因素包括

  • 项目规模
  • 预算
  • 时间线
  • 精度要求
  • 环境和条件

项目的要求将决定最适合的技术或技术组合。测量人员必须考虑他们在实地将面临哪些挑战。例如,城市地形测绘可能包括危险或繁忙区域,这些区域会导致采集耗时,或使传统测量技术的效果大打折扣。

利用SLAM 技术的移动激光雷达扫描仪可以克服或至少减轻其中的一些挑战。PremierSLAM 激光扫描解决方案可提供具有激光扫描精度的高清全景图像。与 TLS 相比,可交付成果的制作速度更快,灵活性更高。

当集成到地形工作流程中时,基于SLAM 的激光扫描可补充和增强静态激光扫描和全站仪等测量方法,提供更高效、更全面的地形数据采集方法。

 

了解有关激光雷达测量的更多信息

NavVis 提供基于SLAM 的可穿戴式激光扫描解决方案,使测绘和现实捕捉 专业人员能够捕捉准确数据,有效实现可视化,并将其集成到现有工作流程中。如需了解更多信息,请访问我们的勘测和现实捕捉 页面。

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