激光雷達遙感技術應用

逍遙設計自動化

引言
+ K0 H, n: o2 N* N1 B/ L+ f激光雷達技術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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+ l* z: P, b, a$ r, b8 s2 @地形測繪
: R, W- H, T$ M8 x* r: {激光雷達技術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建和等高線生成。
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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)。

; w. c% x9 w# _, `$ ADEM和DSM的構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（IDW）插值、自然鄰域插值和克里金插值。
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圖3：基于TIN的DEM和DSM示例，展示地形表面建模。

森林資源調(diào)查
" D$ f8 ~! k7 E+ r+ _! U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構分析。這項技術可以提取樹高、冠幅等結構參數(shù)信息。

圖4：單木分割結果，不同顏色代表不同的單株樹木。


) T" t; M0 N" b. x9 C圖5：基于點云的森林結構參數(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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* k$ F% R: V( j- _5 h0 L輸電線路檢查
9 t9 s* N6 E! s: Z+ S激光雷達技術通過實現(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。

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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建筑三維建模
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。
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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) 平面點分割結果；(d) 最終分割結果。

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& e1 W) M% y: }, \0 b- d/ G圖9：建筑物三維模型結果展示：(a) 屋頂線框模型；(b) 建筑物三維模型。

自動駕駛系統(tǒng)
3 M3 _8 j+ H6 M/ d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)揮關鍵作用。該技術可以實現(xiàn)準確的物體檢測和駕駛環(huán)境的語義分割。

- _2 B6 C, h) B. Q" ]圖10：點云語義分割結果，顯示駕駛環(huán)境中的不同物體。

# u2 N' Q2 I& O! h! Z, D圖11：道路場景點云的物體檢測結果。

: \% w9 a7 a) |! a  W* g作物監(jiān)測應用
6 Z% g( a' Z- y7 W+ h: P1 }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）。

' s5 @" j3 ~% ]4 Q; z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。
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文化遺產(chǎn)保護
1 J3 S) s( }6 m# `激光雷達技術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。

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。

- m5 ~% R5 ^) P* K室內(nèi)建模與導航
. b- z/ a5 k9 p* v" ]- m1 k" S/ R激光雷達通過點云處理和空間拓撲構建，實現(xiàn)了精確的室內(nèi)測繪和導航功能。
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& {. w1 _. z; z% d# W! e$ u, Q圖15：基于語義的室內(nèi)導航網(wǎng)絡構建和編碼流程圖。


" q( \) @/ p2 D7 A7 e1 _圖16：通過模擬射線的公共邊界面占用分析。

水下測繪
激光雷達技術，特別是機載激光雷達測深技術，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。


5 P; A* R( {+ I5 f% `0 D圖18：水面和水底光子提取結果。
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" o- z" C) C9 J% c; O此項技術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構和單株樹木

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構

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

隨著激光雷達技術與其他感測方法和先進處理算法的結合，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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& t# V4 ~% X; A! N參考文獻
, U6 ^9 F3 q0 [8 e5 L1 N[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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