基于激光雷达点云应用的通信勘察技术研究.pdf

2 0 2 4年1期 2 1 2 0 2 4年第4 6卷第1期基于激光雷达点云应用的通信勘察技术研究许长峰1 吴 威1 谷 山1 张岫玮2作者简介:许长峰(1 9 7 7-),本科,高级工程师,研究方向为移动通信网工程咨询、规划和设计;吴威(1 9 8 4-),硕士,高级工程师,研究方向为移动通信网工程咨询、规划和设计;谷山(1 9 8 5-),本科,高级工程师,研究方向为数据通信网工程咨询、规划和设计;张岫玮(1 9 9 4-),硕士,高级工程师,研究方向为数据通信网工程咨询、规划和设计。(1.河南省信息咨询设计研究有限公司 郑州4 5 0 0 0 8;2.中国铁塔股份有限公司上海浦东新区分公司 上海2 0 1 3 9 9)摘 要 文中探讨了激光雷达在通信勘察中的应用。首先,介绍了激光雷达在通信勘察中的工作原理和优势。然后,阐述了激光雷达在通信勘察中的实际应用场景,并结合国内外相关研究成果,对激光雷达在通信勘察中的应用进行了深入分析。最后,对未来激光雷达在通信勘察中的未来发展进行了展望。关键词:激光雷达;点云;通信勘察中图分类号 T N 9 2 9.5R e s e a r c ho nC o mm u n i c a t i o nS u r v e yT e c h n o l o g yB a s e do nL i D A RP o i n tC l o u dA p p l i c a t i o nXUC h a n g f e n g1,WU W e i1,GUS h a n1a n dZ HAN GY o u w e i2(1.H e N a nP r o v i n c eC o n s u l t a t i o nD e s i g n i n gR e s e a r c hC o.,L t d.,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 8,C h i n a;2.C h i n aT o w e rC o r p o r a t i o nS h a n g h a iP u d o n gN e wA r e aB r a n c h,S h a n g h a i 2 0 1 3 9 9,C h i n a)A b s t r a c t T h i sp a p e rd i s c u s s e s t h ea p p l i c a t i o no fL i D A Ri nc o mm u n i c a t i o ns u r v e y.F i r s t l y,t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da d-v a n t a g e so fL i D A Ri nc o mm u n i c a t i o ns u r v e yw e r e i n t r o d u c e d.T h e n,t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o ns c e n a r i o so fL i D A Ri nc o m-m u n i c a t i o ns u r v e yw e r e e l a b o r a t e d,a n d t h e a p p l i c a t i o no fL i D A Ri nc o mm u n i c a t i o ns u r v e yw a s a n a l y z e d i nd e p t hb a s e do nr e l e v a n t r e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d.F i n a l l y,p r o s p e c t s f o r t h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fL i D A Ri nc o mm u n i c a t i o ne x p l o r a t i o n i sp r e s e n t e d.K e y w o r d s L i D A R,P o i n t c l o u d,C o mm u n i c a t i o ns u r v e y0 引言激光雷达产品最初主要应用于航天与航空项目,随着成本的降低,其逐渐转向民用项目,在高速、高铁、电力、公安等行业中有着广泛应用,通信行业尚无规模使用。基于激光雷达产品勘测的便利性和产品应用的普及,现在正是通信行业引入激光雷达产品进行勘察技术研究与升级的好时机。1 通信行业勘察需求1.1 通信行业专业分类目前,通信行业专业主要分为无线网、固定语音网、宽带接入网等,如图1所示。图1 通信行业专业分类图1.2 通信勘察需求分析通过整合、分析各专业的勘察需求,可发现勘察活动的主要目的是在进行工程新建或改造活动前,通过查勘了解拟建工程的现网设备现状及新增设备的安装信息、线缆路由信息等。以无线网室内覆盖勘察为例,在勘察需求分析中,勘察活动主要有以下关键节点。1.2.1 站点基础信息勘查(1)勘察需求。1)现场勘察站点基础信息:包含建筑物类型、特性;记录详细地址、经纬度;站点周围基站分布情况、距离远近。2)记录楼宇基础信息:楼层功能区情况;客梯、货梯的位置和数量;弱电井位置、数量;吊顶材质;核实图纸是否准确,绘制建筑物平面草图,并了解每个楼层的详细功能。(2)需求分析。基础信息勘察主要收集建筑物外部环境信息和建筑物内部环境信息,可以通过勘察人员携带勘测设备完成信息收集。1.2.2 现场信号测试(1)勘察需求。按测试要求对需要覆盖的建筑物内原有的信号状况进行测试,并测试建筑物周边区域的信号情况。2 2 2 0 2 4年1期根据现场测试情况,明确建筑物是否需要进行室内覆盖以及需覆盖的区域,以调整、确认拟建规模。(2)需求分析。该部分为覆盖测试要求,通过勘察人员同步携带网络测试设备,可实现与勘察行为并列,也可独立进行,互不冲突。1.2.3 环境拍照(1)勘察要求。楼宇外观照片,正面及侧面均要拍照;楼宇平层内部照片,按功能区拍摄;设备拟安装位置照片,如弱电间、设备机房等。(2)需求分析。拍照的目的是记录、还原覆盖目标现场信息,为进一步的方案设计提供基础。拍照活动可以收集建筑物外部环境信息和建筑物内部环境信息,同时对设备安装的机柜或弱电间环境进行数据收集。1.2.4 建设方案拟定(1)勘察要求。1)拟定覆盖方案:确定分布系统的整体结构,主干走线路由,并在草图上标示出来。2)拟定系统分布方式:根据站点建筑物的特点,确定采用无源分布系统、数字化分布系统、直放站分布系统、泄漏电缆分布系统或混合分布系统。3)拟定天馈线平面布置方案:根据需要覆盖的楼层,初步确定每个楼层的天线分布情况,并在草图上标示出来。4)拟定信源配置:根据现场分布方案初步确定信源类型与数量。(2)需求分析。指现场拟定分布建设方案,需要具备方案设计经验的专业人员进行,传统勘察设计行为需要勘察人员与设计人员相同,才能最大程度地保证方案的正常设计。通过上述案例分析可知,通信行业勘察主要需获取室外环境信息、室内环境信息和机房环境信息。2 激光雷达产品分类及选型2.1 激光雷达勘察技术原理激光雷达勘测是采用三维激光扫描技术的一种非接触式的高速测量方法。其利用激光测距原理,通过发射激光碰到目标物体后的反射形成回波信号,解算出相应距离,同时计算 激 光 光 束 的 水 平 角 和 垂 直 角,测 得 空 间 三 维 坐标值1。2.2 激光雷达产品分类现有激光雷达产品的的种类较多,如图2所示。按功能用途可分为激光测速雷达、激光测距雷达、大气探测雷达、激光成像雷达和跟踪雷达;按工作介质可分为气体雷达、固体雷达和半导体雷达;按激光发射波形可分为连续型雷达和脉冲型雷达;按探测方式可分为直接探测雷达和相干探测雷达;按激光线数可分为单线激光雷达和多线激光雷达;按扫描方式可分为MEM S型雷达、F L A S H型雷达、相控阵雷达和机械旋转型雷达;按载荷平台可分为手持式雷达、架站式雷达、机载雷达、车载雷达、星载雷达和地基式雷达。图2 激光雷达产品分类2.3 激光雷达点云激光雷达点云是激光雷达设备扫描出的数字高程模型D EM(D i g i t a lE l e v a t i o nM o d e l)信息点集合的简称。它由海量的目标信息点组成,包括该信息点的三维坐标(X Y Z)、激光反射强度、颜色信息(R G B)等,扫描目标的所有信息点共同创建了可识别的三维云状结构。照片记录的是目标现场光线强弱与色彩的光学信息,而点云记录的是目标现场各个测试点的位置信息。点云内各位置的尺寸是可测量的,而照片却不能,因此点云数据可以进行工程测绘,如图3所示。图3 现场照片与雷达点云对比图2.4 激光雷达产品选型通信行业勘察需求主要分为室外环境信息、室内环境移动信息2 0 2 4年1期 2 3 信息和机房环境信息。(1)获取室外环境信息是为了实现室外覆盖,通过了解室外建筑、道路等覆盖目标的位置和布局,从而针对性地制定无线室外覆盖方案。这种勘察对勘察精度要求不高,但工作量较大,可采用厘米级手持式激光雷达设备2。(2)室内环境信息获取主要满足无线、宽带、配套专业线缆路由、用户端设备布放等的需求。这种勘察对精度要求不高,勘察工作量较大,也可采用厘米级手持式激光雷达设备。(3)机房环境信息的获取主要满足数据网、骨干网、支撑平台等工程的机房勘察需求。这类需求的勘察总量不大,但勘察精度要求较高,如机房内机架位置、线缆路由、架内设备空间、架内设备位置等,此时采用厘米级手持式设备无法满足勘察精度需求,需要采用毫米级的架站式设备。但应用架站式设备会降低现场信息获取速度,通信行业应密切关注激光雷达产业的发展,积极试用高速度、高精度的产品。3 激光雷达点云在通信行业中的应用3.1 无线网室内覆盖勘察无线网室内覆盖勘察主要分为站点基础信息勘查、测试、拍照和分布系统方案拟定。在未采用激光雷达设备前,室内覆盖勘察工作大多是由室分设计人员承担的,因此勘察与设计工作叠加,对相关人员的技术水平要求较高,工作效率较低。采用激光雷达设备后,站点基础信息勘察、测试及拍照工作均可交由专职勘察人员负责,勘察人员可通过激光雷达采集目标建筑物的室内环境信息,并通过D EM点云形式交由设计人员进行分布系统方案设计。设计人员可在点云复刻出目标建筑物,以进行漫游、测量,并设计和绘制图纸。3.2 无线网室外覆盖勘察无线网室外覆盖勘察与室内覆盖勘察类似,主要分为站点基础信息勘查、测试、拍照和建设方案拟定3。由于室外覆盖采用的宏站覆盖方式站型相对统一(绝大多数为三扇区站型),因此覆盖设计相对简单,一般先在M a p i n f o或G o o g l eE a r t h地图上根据周边站址进行预选址,勘察人员根据预选址结果赴现场进行核实、定址工作,定址完成后进行站址查勘与方案设计工作。在未采用激光雷达设备前,定址工作主要由勘察人员负责,由于预选址工作不精准,在实际定址工作中,一般允许5 0 m以内的偏差。采用激光雷达设备后,可通过D EM点云还原现场,使设计人员更便捷地观察预选址环境,从而从网络全局角度更方便地进行定址工作。3.3 数据机房勘察数据机房勘察的主要目的是通过勘察确认机房内拟建设备的环境安装信息,如机柜位置、设备位置、电源引入、线缆路由等。原有勘察模式为初步方案拟定后,携带机房图纸及拟建设备清单对目标机房进行查勘,与机房维护人员共同确认并标记机柜、设备建设位置,随之确认电源及网络引入位置,确定电源线、光纤或网线的路由途径,然后对现场环境进行拍照并在图纸上进行标注。应用激光雷达设备,则可有效采集机房的空间数据(需要专门采集方案涉及的机柜的信息,由于采用架站式设备,数据采集速度较慢,同时还需要对机柜进行拍照)。3.4 激光雷达点云在通信勘察行业中的应用分析引入激光雷达设备,使得通信行业的勘察成果可以以D EM点云的形式提交。这不仅带来了勘察成果形式的变化,还可影响通信勘察活动。激光雷达设备的引进对通信勘察活动的影响如下。3.4.1 采用激光雷达产品的优势(1)优化勘察人员结构。在无线网室内覆盖勘察活动中,激光雷达设备参与后,实现了勘察工作与设计工作的工序分解,使勘察人员专注于勘察工作、设计人员专注于设计工作,更有利于提高工作效率与工作质量。(2)勘察成果电子化。激光雷达设备参与后,勘察结果从纸面的平面2 D呈现转换为电子化的3 D立体形式,呈现形式更直观、存储形式更经济。(3)勘察成果可跨专业共享。各专业传统的勘察工作是独立运行的,同时由于勘察的关注点不同,勘察成果无法共享,同一站址会出现多专业重叠勘察的情况。应用激光雷达设备后,经过一次采集,多专业可共享点云成果,提取各自需要信息,从而实现勘察成果的跨专业共享。(4)设计更便捷。由于甲方需求或业主要求等,原有通信设计方案确定后往往会出现设计方案变更的情况,传统的勘察模式需要对站点进行二次勘察。而在收集现场D EM点云后,仅需在点云模拟的现场进行二次勘测,无需返回站点现场,在节约勘测经费的同时,提高了勘察效率。(5)创新设计形式。建立建设现场的模型,为3 D实景设计创造了基础条件,针对一些标志性、样板性的建设场点,还可基于点云数据进行3 D建模设计,并以3 D立体的形式展示设计成果,创新设计形式。3.4.2 采用激光雷达产品的劣势(1)产品价格偏高。通过对激光雷达价格的采样可以发现,适用于通信行业的激光雷达产品的价格大多为十万或几十万元,工程应用成本偏高。(2)勘察精度无法满足全专业的要求。面向公众行业的激光雷达产品一般为厘米级或毫米级,用于采集楼宇信息,可用于楼宇内房间、门窗、吊顶、机柜等的识别,但对于机柜内部设备标识、端口等,则显得精度偏低,因此部分专业还无法使用激光雷达产品。移动信息2 4 2 0 2 4年1期4 结语通信勘察领域通过引入激光雷达产品,使得勘察成果从纸面走向点云,用激光雷达数字建模产品取代传统皮尺、测距仪等,使通信勘察活动实现了数字化转型,在优化勘察活动人员结构的同时,提高了设计勘察的精度,使勘察结果可实现跨专业、跨行业使用。随着激光雷达设备价格的降低、采集精度的提高,激光雷达点云在通信勘察活动中的应用必将越来越广泛。参考文献1崔波,王星,张帆,等.三维激光扫描技术在5 G勘察设计中的应用J.电信工程技术与标准化,2 0 2 1,3 4(4):4 0-4 5.2李威,王伟.三维激光点云技术在通信机房勘察自动化设计中的 应 用J.电 信 工 程 技 术 与 标 准 化,2 0 1 9,3 2(1):3 7-4 1.3余飞,余绍淮,陈楚江.机载激光雷达测量技术在高速公路勘察设计中的应用研究J.中外公路,2 0 1 6,3 6(2):3 3 5-3 3 8.(上接第1 7页)技术,它涉及跟踪、遥测、遥感、轨道动力学、计算、传感、成像、通信等多个专业技术领域。这些领域的初步研究成果将为我国未来空间测控系统的发展提供技术支持。近年来,我国在空间测控技术、航天测控技术、小卫星测控技术、卫星测控技术等领域开展了多项研究活动,突破了关键技术,逐 步 解 决 了 这 些 新 技 术 在 实 际 应 用 中 的 相 关问题4。4.1 载人航天测控通信技术我国的航天测控通信系统在测控通信体制、网络运行方式、数据高速传输、数字仿真等领域取得了重要进展。在载人空间中,通过布站的方式,降低了国家疆域的局限性,充分发挥了空间测控资源的优势,能为航天器的发展提供最优的测控通信保障。在满足载人空间的基础上,考虑了未来测控通信的发展趋势,具有规模适度、布局合理、技术先进等优点,以最小的投资获取最大的收益,达到了最优的综合效率。本项目通过对我国已有的多个观测站的研究,通过对已有观测站的观测与通信资源的挖掘、改造,构建了一套规模适中、功能完备的陆海基观测与通信体系,能支撑我国载人宇宙飞船、中低轨道卫星、S频同步轨道卫星等的观测与控制,功能强大,架构合理,将成为未来我国空间观测与控制的主流平台。在此基础上,在U S B宽带测距传输等关键技术上取得了突破,率先实现了我国空间测量网络与国外空间测量网络之间的联接。采用网络和境外建立台站的方法,极大地扩展了测控通信覆盖范围,大大减少了空间观测船的数量,节约了上亿元的资金。4.2 深空跟踪测量技术首先,可以利用无线电望远镜观测天体发出的无线电波,通过测量无线电波的相位、频率、幅度等参数来确定天体的位置和速度。其次,利用多个雷达接收站接收反射回来的电磁波,并通过计算不同接收站接收到电磁波的时间差来消除地球曲率和大气层对测量的影响,从而获得更高精度的位置和速度信息。最后,还可以利用激光器向目标天体发射激光,通过测量反射回来的激光的时间、相位、振幅等参数来确定天体的位置和速度。5 结语随着小卫星多用途化、卫星星座网络化和新一代空间飞行器的研制,应该积极探索我国的测控网络建设。在此基础上,可以进一步提升系统的测量与控制精度、测量与控制覆盖范围、多任务协作的能力。从总体上看,目前我国的地面测量网络能满足大部分工作的要求。已有的地面测量网络的规模已经不适合继续扩大了,因此应积极发展空间测量网络,充分发挥空间数据中继卫星的优势,尽快建立我国的中继星系统。在测控网上,应大力推行C C S D S标准,构建天、地、空一体化的测控网,减少资源浪费,降低空间成本。我国致力于充分发挥航天测控的优势,尽快实现空间轨道自主测量和卫星轨道测量,逐步消除对地面测控网的依赖。参考文献1李平,张 纪 生.NA S A深 空 网(D S N)的 现 状 及 发 展 趋 势J.飞行器测控学报,2 0 1 9,2 2(4):7 5-7 7.2石书济.深空探测与测控通信技术J.电讯技术,2 0 2 0(2):3 1-3 5.3沈自成.天基测控网与天基综合信息网相关技术述评J.电讯技术,2 0 1 9(1):2 3-2 7.4李秉常,罗续成.近地小卫星星座测控系统J.遥测遥控,2 0 1 8,2 2(6):4 5-4 7.移动信息