激光雷達遙感技術(shù)應用

逍遙設計自動化

引言
激光雷達技術(shù)通過提供高精度三維空間信息，在多個領域得到廣泛應用。本文探討了激光雷達在九個主要應用領域的具體實踐[1]。
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) T& [* k/ ]: R地形測繪
9 i# R+ G, }' s. x0 [: P激光雷達技術(shù)可以快速生成高精度數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）和等高線。其過程通常從點云數(shù)據(jù)處理開始，然后進行表面模型構(gòu)建和等高線生成。

; b! ]9 G  c1 s. r圖1：激光雷達點云地形測繪流程圖。
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圖2：點云去噪效果展示：(a) 去噪前顯示框內(nèi)噪點；(b) 去噪后的清晰點云數(shù)據(jù)。

DEM和DSM的構(gòu)建可以通過多種空間插值算法實現(xiàn)，包括TIN插值、反距離加權(quán)（IDW）插值、自然鄰域插值和克里金插值。

圖3：基于TIN的DEM和DSM示例，展示地形表面建模。

) G- j1 o# }7 u& [森林資源調(diào)查
激光雷達可以通過單木分割和參數(shù)提取進行詳細的森林結(jié)構(gòu)分析。這項技術(shù)可以提取樹高、冠幅等結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。

3 i% L; d5 \' v1 g圖4：單木分割結(jié)果，不同顏色代表不同的單株樹木。


圖5：基于點云的森林結(jié)構(gòu)參數(shù)提�。�(a) 原始點云；(b) 歸一化點云；(c) 冠層高度模型；(d) 空隙率；(e) 葉面積指數(shù)。
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& `$ `  _7 e% d3 d7 U輸電線路檢查
! `* Q  |1 X% E9 w  W激光雷達技術(shù)通過實現(xiàn)輸電走廊的精確三維建模，提升了輸電線路檢查的效率。這個過程包括點云分類、輸電線路和鐵塔建模以及安全性分析。

圖6：單條輸電走廊的輸電線路點云可視化。
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圖7：輸電塔點云提取展示：(a) 原始T形塔點云；(b) 提取后的T形塔點云；(c) 原始O形塔點云；(d) 提取后的O形塔點云。
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% y+ {  @6 {1 v; k" g% e建筑三維建模
$ B  q8 Z# n' ?激光雷達通過點云處理、屋頂分割和模型生成，實現(xiàn)建筑物的精確三維建模。

! |- T0 l% M- u  }圖8：建筑物屋頂分割過程展示：(a) 屋頂點云；(b) 提取的非平面點（紅色）；(c) 平面點分割結(jié)果；(d) 最終分割結(jié)果。

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% |9 t# T' R$ G/ z; E圖9：建筑物三維模型結(jié)果展示：(a) 屋頂線框模型；(b) 建筑物三維模型。

8 g5 L" G' d8 x6 O1 u* [+ ^5 _5 b自動駕駛系統(tǒng)
激光雷達在自動駕駛車輛的環(huán)境感知和自主定位方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。該技術(shù)可以實現(xiàn)準確的物體檢測和駕駛環(huán)境的語義分割。

圖10：點云語義分割結(jié)果，顯示駕駛環(huán)境中的不同物體。

圖11：道路場景點云的物體檢測結(jié)果。
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- [, W6 b0 ~* v/ f* v) H作物監(jiān)測應用
( @- H% [4 {% i! @激光雷達能夠詳細監(jiān)測作物參數(shù)，包括葉角分布、葉面積體積密度和光合有效輻射分數(shù)吸收率（FPAR）。

" _7 S8 W+ h" |6 m# X, y圖12：玉米莖葉點云識別：(a) 原始激光雷達點云；(b) 識別的玉米葉片點云；(c) 放大的玉米葉片點云；(d) 放大的玉米莖稈點云。
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圖13：基于體素方法的玉米植株葉面積體積密度估算。

% m! U* c9 V5 v$ v: o3 d文化遺產(chǎn)保護
激光雷達技術(shù)通過對歷史建筑進行詳細的三維掃描和建模，顯著提升了文化遺產(chǎn)保護工作的精度。
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圖14：塔克奧寺廟三維建模展示：(a) 未著色的原始點云；(b) 著色后的點云；(c) 未著色的三維模型；(d) 渲染后的彩色三維模型。

室內(nèi)建模與導航
激光雷達通過點云處理和空間拓撲構(gòu)建，實現(xiàn)了精確的室內(nèi)測繪和導航功能。
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圖15：基于語義的室內(nèi)導航網(wǎng)絡構(gòu)建和編碼流程圖。


8 _: O7 n* S- c( I圖16：通過模擬射線的公共邊界面占用分析。
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$ y8 G& l. Z* u% P" R水下測繪
激光雷達技術(shù)，特別是機載激光雷達測深技術(shù)，可以高效地進行水下地形測繪和水位監(jiān)測。

圖17：機載激光雷達測深示意圖。
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* r% W2 T% U& ^3 O: Y8 i6 C圖18：水面和水底光子提取結(jié)果。
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此項技術(shù)在各個應用領域都顯示出獨特優(yōu)勢：

在地形測繪中，提供了高精度的地形建模能力

在森林調(diào)查中，可以詳細分析冠層結(jié)構(gòu)和單株樹木

在輸電線路檢查中，可以全面監(jiān)測輸電走廊安全

在建筑建模中，可以準確重建復雜建筑結(jié)構(gòu)

在自動駕駛中，提供了重要的環(huán)境感知功能

在作物監(jiān)測中，可以精確測量植物參數(shù)

在文化遺產(chǎn)保護中，可以詳細記錄和保護文物

在室內(nèi)導航中，實現(xiàn)了精確的空間測繪和路徑規(guī)劃

在水下測繪中，提供了高效的水深測量能力

隨著激光雷達技術(shù)與其他感測方法和先進處理算法的結(jié)合，應用范圍不斷擴大，性能持續(xù)提升。這些進展推動著更多創(chuàng)新應用的產(chǎn)生。
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- P) A) C# n9 R7 e" g參考文獻
[1] C. Wang, X. Yang, X. Xi, S. Nie, and P. Dong, Introduction to LiDAR Remote Sensing. Boca Raton, FL: CRC Press, 2024.
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