激光雷達遙感技術(shù)應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
0 u! j& e3 V4 t7 E/ W  h& q/ X激光雷達技術(shù)通過提供高精度三維空間信息，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文探討了激光雷達在九個主要應(yīng)用領(lǐng)域的具體實踐[1]。
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( C( A, V; L: H' `4 f' f9 w地形測繪
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。

3 O4 ], t. v0 \  x: i圖1：激光雷達點云地形測繪流程圖。
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: A- y1 Y# ?0 O' g: \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)。

! a5 n( `4 M- R& Z% u  cDEM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。
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4 s7 z; T6 Q( ^3 c+ K圖3：基于TIN的DEM和DSM示例，展示地形表面建模。
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+ K# U  x% R' y$ o' 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。

6 |  E! z+ z+ H8 A圖4：單木分割結(jié)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(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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輸電線路檢查
$ M0 y& m! X+ d: K" v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。

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。

. `6 S- W% B, z; @  h& N  I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。

# P0 ]% C% x( x- P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。


) r9 D$ j  r7 [6 A. M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。

自動駕駛系統(tǒng)
( q: n6 i# Y; _2 `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。
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圖10：點云語義分割結(jié)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(jié)果。
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8 [: t$ |8 R- ~; {作物監(jiān)測應(yīng)用
7 \3 N1 i3 H. m+ Y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）。
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$ c/ w8 E9 Q3 T- q' s1 O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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" A4 k* Q0 K. F, f+ _7 M2 l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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! X' ?' d+ K; `, I+ k6 ~  b* `文化遺產(chǎn)保護
2 @2 L" k; z$ C) g, o! ]% C& e6 s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。

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。
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室內(nèi)建模與導(dǎo)航
" b* s% Z! H3 S  P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(dǎo)航功能。
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圖15：基于語義的室內(nèi)導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和編碼流程圖。


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(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。
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) P* [# I9 h1 ~' T8 W2 ~. i圖17：機載激光雷達測深示意圖。


% N1 K: {2 ?* t# B7 Q" n2 }2 e圖18：水面和水底光子提取結(jié)果。

8 x! q5 V2 K. ]7 e此項技術(shù)在各個應(yīng)用領(lǐng)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(fù)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用的產(chǎn)生。
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  d" r( V* q+ P- b參考文獻
  t) V8 C1 \7 X# f, o3 }[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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