无人机激光雷达技术在山区国土调查中的地形测绘精度分析

引言

地形测绘作为国土资源管理和环境保护中不可或缺的一环，尤其在多变的山区地形中，其精确度直接影响到土地利用策略和生态保护工作的有效执行。传统的地面测绘技术虽有广泛应用，但在复杂山区地形条件下，其效率和精准度往往受到限制。近年来，随着无人机技术的快速发展，无人机搭载激光雷达（LiDAR）技术因其突出的空间灵活性与高度自动化，在地形测绘领域显示出巨大的潜力。尤其是在难以接触或地形复杂的山区，无人机激光雷达技术展现出了传统方法无法比拟的优势，如更高的数据采集效率和较强的地形适应性，这为提升山区地形测绘的精度和效率提供了新的技术途径。

1、无人机激光雷达技术概述

1.1 无人机激光雷达技术基础

无人机激光雷达技术是指通过搭载在无人机上的激光雷达系统，利用激光束来获取地面或地物的三维信息，实现对地形、建筑物等目标的高精度测绘和监测 [1]。其基础主要包括激光雷达系统、惯性导航系统（INS）、全球定位系统（GPS）和数字摄影机等四个方面。

激光雷达系统是无人机激光雷达技术的核心部件，主要由激光发射器、接收器和控制单元组成。激光发射器能够发射激光束，而接收器则接收经目标反射后返回的激光信号。通过测量激光脉冲的往返时间以及光速，可以计算出目标物体与无人机的距离，从而实现对地表的高精度测量。

惯性导航系统（INS）在无人机激光雷达系统中扮演着至关重要的角色。 INS 是通过安装加速度计和陀螺仪等传感器来实现对无人机姿态、加速度和角速度等运动参数的实时监测，并通过数据融合算法将激光雷达获取的地面点云信息进行精确配准和定位。

全球定位系统（GPS）能够提供无人机的位置和速度信息，为激光雷达系统提供外部定位辅助，使其能够更准确地感知环境并实现航迹规划和控制。

数字摄影机在无人机激光雷达系统中主要用于获取地面纹理信息，辅助地物分类和三维模型构建。通过将激光雷达数据与数字影像数据进行融合处理，可以获得更加综合丰富的地理信息数据，提高地形测绘的全面性和精确度[2]。

1.2 无人机激光雷达技术的应用领域

无人机搭载激光雷达技术在地形测绘领域具有广泛的应用价值。在山区国土调查中的地形测绘方面，无人机激光雷达技术能够应用于地形地貌的三维重建和高程测量。通过激光雷达扫描获取地表数据，并结合 GPS 定位系统，可以实现对山地地形的高精度表征，为山区资源管控和规划提供重要数据支持。无人机激光雷达技术在地质灾害监测与预警中也有重要应用。通过连续监测山区地质灾害敏感区域的形态变化，无人机激光雷达可以实现对地质灾害隐患的高效探测和预警，为减灾救灾工作提供可靠的技术支持。

无人机激光雷达技术还广泛应用于林业资源管理领域 [3]。在山地森林覆盖调查和植被类型分类中，激光雷达技术可以快速获取大范围的植被信息，并实现对植被高度、密度等关键参数的精准提取，为林业资源保护和可持续利用提供科学依据。无人机激光雷达技术还在水文地质勘察、交通规划设计、城市建设规划等领域得到广泛应用。例如，结合无人机激光雷达技术的数字高程模型可以为水文地质调查提供详实的地形数据，辅助优化水资源配置方案；在交通规划设计中，无人机激光雷达技术可以提供高精度的地形地貌数据，为道路设计和定位提供可靠支持。

2、地形测绘精度在山区国土调查中的应用

2.1 实地测绘与传统方法的对比

在地形测绘领域，传统的地面测绘方法在山区国土调查中起着重要作用。传统方法通常采用地面测量仪器进行实地测量，通过测量数据进行地形模型的建立和分析。随着科技的发展，无人机激光雷达技术的出现为地形测绘带来了革命性的变革。下面将对实地测绘与传统方法进行对比，以展示无人机激光雷达技术在山区国土调查中的优势。

实地测绘利用无人机搭载激光雷达系统可以克服传统地面测绘中的地形遮挡问题。在复杂的山地地形中，地面测量仪器往往难以到达或无法获取准确数据，导致遮挡区域无法被充分测绘。而无人机搭载激光雷达系统可以实现航拍式测绘，能够轻松飞越山体、森林等遮挡物，获取全面、连续的地形数据，从而提高地形测绘的全面性和准确性。

无人机搭载激光雷达系统具有高效性和灵活性。相较于传统地面测绘需要逐点测量的方式，无人机搭载激光雷达系统可以实现大范围的自动化测绘，大幅提升测绘效率。无人机可以根据具体任务需求进行灵活调度，可以在复杂多变的山区地形中轻松实现测绘任务，更适应山区国土调查的需求。

实地测绘利用无人机搭载激光雷达系统还可以减少测绘过程中的人力投入。传统地面测绘需要大量人力物力投入到复杂的山地地形中进行测量，不仅耗时费力，而且存在一定的安全隐患。而无人机可以遥控飞行，无需人员进入危险区域，大大降低了测绘过程中的安全风险，并节约了人力成本。

2.2 测绘精度的实现及其影响因素

无人机激光雷达系统的精准定位是保障测绘精度的重要前提。全球定位系统（GPS）的精确度直接影响到无人机在空中飞行时所获取数据的地理位置信息准确性，进而影响到地形测绘的结果。高精度的GPS 系统及其稳定性是确保测绘精度的关键。

激光雷达技术的扫描频率和分辨率影响着数据采集的细节和密度。较高的扫描频率和较小的分辨率可以捕捉到更多地形细节，提高地形测绘的精度。激光雷达系统的校准和调试也对数据质量和精度起着至关重要的作用。

另外，地面反射特性和地形复杂度也是影响测绘精度的重要因素。地面的反射率不仅影响激光雷达系统对地物的识别和测量，还会影响到数据的质量和精度。在复杂山地地形中，地形起伏变化大、遮挡物较多，这对激光雷达系统的回波造成了一定影响，需要在数据处理和分析中采取相应的方法来提高测绘精度。

气候条件和环境因素也会对测绘精度造成一定影响。如大风、降雨等恶劣天气会影响无人机的稳定飞行以及激光雷达数据的采集效果，进而影响到测绘精度。在选择测绘时间和环境条件时，需要考虑气候因素对测绘精度的影响。

无人机激光雷达技术在山区国土调查中地形测绘的精度实现受到多方面因素的综合影响，包括定位精度、扫描频率、地面反射特性、地形复杂度以及气候环境等因素。通过综合考虑和合理控制这些影响因素，可以有效提高地形测绘的精度，为山区国土调查提供更加准确、可靠的数据支持。

结束语

本文通过对特定山区实施无人机激光雷达技术的地形测绘，并与传统地面测绘技术进行比较，论证了该技术在山区国土调查中的有效性和优势。结果表明，无人机激光雷达系统在提升测绘精度和效率方面表现出较大优势，有效降低了地形遮挡带来的影响，并实现了 0.15米的高精度标准。尽管如此，该技术在野外操作的复杂性及成本问题还需进一步研究与优化。未来研究可关注无人机激光雷达系统在不同类型山区的适应性分析与成本效益评估，推动其在更广泛国土资源调查中的应用。

参考文献

[1] 李卫良 , 龙世林 . 无人机载激光雷达在山区地形图测绘中的应用 [J]. 科技创新与应用 ,2020,(36):145-147.

[2] 黄庭珠 , 黄楠 . 无人机载激光雷达在山区地形图测绘中的应用研究 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,2021,(15):16-17.

[3] 雷贯辉 . 无人机载激光雷达在地形图测绘中的应用研究 [J].西部资源 ,2022,(01):90-91.

作者简介：彭官辉（1991.9-），男，江西抚州，工程师，硕士，主要从事工程测绘、国土调查、地籍测量、自然资源登记确权等方面的应用研究工作。