激光雷達遙感技術應用

逍遙設計自動化

引言
) C6 l: _# p+ M+ d# }+ b( u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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地形測繪
激光雷達技術可以快速生成高精度數字高程模型（DEM）、數字表面模型（DSM）和等高線。其過程通常從點云數據處理開始，然后進行表面模型構建和等高線生成。

4 k0 h$ D! ^1 {- G/ r1 @4 X圖1：激光雷達點云地形測繪流程圖。

圖2：點云去噪效果展示：(a) 去噪前顯示框內噪點；(b) 去噪后的清晰點云數據。

2 W1 }1 O% z& t+ P8 ]DEM和DSM的構建可以通過多種空間插值算法實現，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。

7 g, \" I, O$ ~# S圖3：基于TIN的DEM和DSM示例，展示地形表面建模。

2 s5 n1 ]! R% T! E森林資源調查
, w6 J7 p, h# }; e激光雷達可以通過單木分割和參數提取進行詳細的森林結構分析。這項技術可以提取樹高、冠幅等結構參數信息。

8 z& k2 u# l: k9 V, k圖4：單木分割結果，不同顏色代表不同的單株樹木。

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圖5：基于點云的森林結構參數提�。�(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。
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6 w! Z4 y6 W: g7 y  [/ a輸電線路檢查
( ], @" t1 m+ K7 K激光雷達技術通過實現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。

建筑三維建模
+ O1 q& U, {3 U7 {/ U# G  g激光雷達通過點云處理、屋頂分割和模型生成，實現建筑物的精確三維建模。
3 T! a) n3 k8 Y, e) p. Q9 l! j: f
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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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。

* l- s* [4 @1 u4 Z; Q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)揮關鍵作用。該技術可以實現準確的物體檢測和駕駛環(huán)境的語義分割。
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/ g1 R* B8 j4 ^: z7 Q8 T8 v  G. `圖10：點云語義分割結果，顯示駕駛環(huán)境中的不同物體。
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圖11：道路場景點云的物體檢測結果。
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& M& K. ?2 R, _# _( [: n作物監(jiān)測應用
激光雷達能夠詳細監(jiān)測作物參數，包括葉角分布、葉面積體積密度和光合有效輻射分數吸收率（FPAR）。

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。
) d* |+ F9 [% N
, d" n. q/ s2 h; M& X
) q; @8 x8 ]/ {4 I/ Y6 H0 t7 I0 f圖13：基于體素方法的玉米植株葉面積體積密度估算。

文化遺產保護
% B% C; p9 `& |. ~. b1 O+ s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保護工作的精度。

# d! s  \3 s7 H8 i3 r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。

室內建模與導航
( S: c1 z2 N' r8 d激光雷達通過點云處理和空間拓撲構建，實現了精確的室內測繪和導航功能。

圖15：基于語義的室內導航網絡構建和編碼流程圖。
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圖16：通過模擬射線的公共邊界面占用分析。
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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。

- K5 b. O# R, w$ ?圖17：機載激光雷達測深示意圖。
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圖18：水面和水底光子提取結果。
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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

在文化遺產保護中，可以詳細記錄和保護文物

在室內導航中，實現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)新應用的產生。
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( w1 ?9 x" O( h% u參考文獻
: a/ [# j5 Y1 r3 C, |) x[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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