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了解什么是激光雷達(dá)（LiDAR）點(diǎn)云數(shù)據(jù)
發(fā)布日期：2020-10-09
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作者：Li
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我們都知道“一沙一世界，一葉一菩提”，但不一定知道的是，還有“一點(diǎn)一方位空間”。
上圖密密麻麻的這些點(diǎn)可大有來頭，用處可大了！
且聽筆者詳細(xì)道來吧~
原來，這些都是激光雷達(dá)（LiDAR）點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每一個(gè)點(diǎn)都包含了三維坐標(biāo)信息，也是我們常說的X、Y、Z三個(gè)元素，有時(shí)還包含顏色信息、反射強(qiáng)度信息、回波次數(shù)信息等。

▲點(diǎn)云信息查詢

首先，讓我們了解一下它們是如何產(chǎn)生的。其實(shí)，這些點(diǎn)是機(jī)載激光雷達(dá)向地面發(fā)射激光信號(hào)，然后收集地面反射的激光信號(hào)而來的。此后，內(nèi)業(yè)通過聯(lián)合解算、偏差校正，便可以計(jì)算出這些點(diǎn)的準(zhǔn)確空間信息?？瓷先ヒ粋€(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)獲取，其實(shí)包含了較為復(fù)雜的設(shè)備結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)采集過程。

▲機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取

其一，激光雷達(dá)（LiDAR)包括了激光測(cè)距系統(tǒng)、光學(xué)機(jī)械掃描單元、控制記錄單元、全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)、慣性測(cè)量系統(tǒng)(Inertial Measurement Unit，IMU)以及一套成像設(shè)備等。其二，機(jī)載激光雷達(dá)（LiDAR)進(jìn)行采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)除了天氣需要滿足飛行條件外，還需要獲得空域許可，提前設(shè)計(jì)航線，實(shí)地勘察。


▲點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及解算過程

我們?cè)谏衔乃姷哪切╇x散點(diǎn)無法獲取有用信息，是因?yàn)榇蜷_的方式不對(duì)。
正確的打開方式是這樣的：

▲點(diǎn)云三維預(yù)覽

三維預(yù)覽，只是點(diǎn)云最基本的表面特征，因?yàn)槊恳粋€(gè)點(diǎn)云都具備空間坐標(biāo)信息，因此它們都具備測(cè)量能力。兩點(diǎn)成線，三點(diǎn)成面，四點(diǎn)成體，通過這些點(diǎn)，不僅可以明確了解地表空間上的某個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，還可以計(jì)算它們之間的長(zhǎng)度、面積、體積、角度等信息，正好應(yīng)對(duì)了測(cè)量需要的要素。

那點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以用來干什么？

1

可用于制作數(shù)字高程模型


通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化預(yù)處理，地面濾波，結(jié)合人工編輯對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)一步的精分類，保留地面點(diǎn)，剩余的地面點(diǎn)通過構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）等模型進(jìn)行柵格化，可得到高精度的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，也可以轉(zhuǎn)換為等高線數(shù)據(jù)。

▲數(shù)字高程模型及等高線



2

可用于三維建模


隨著激光雷達(dá)技術(shù)的逐步成熟，三維激光雷達(dá)技術(shù)制作的三維模型精度高，適用范圍廣，外業(yè)工作量少，省時(shí)省力。在建筑物的房屋輪廓提取、特征點(diǎn)檢測(cè)和三維重建工作上發(fā)揮了重要作用。且結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，地物提取更加便捷，數(shù)據(jù)可視化程度更高。

▲點(diǎn)云三維模型



3

可用于農(nóng)林普查


機(jī)載激光點(diǎn)云可以用于普查林木的特征，例如樹木的平均高度，樹冠密度，生物量，林木儲(chǔ)量和植被覆蓋度。如果搭配高光譜成像儀，可以確定更多的信息，如植被分類、植被儲(chǔ)量、土壤變化等。其次，衍生數(shù)據(jù)可用于監(jiān)測(cè)森林生長(zhǎng)，風(fēng)暴或火災(zāi)造成的損害等。

▲林木整體分布展示



4

可用于土方計(jì)算


高精度激光點(diǎn)云，可用于構(gòu)建地形三維模型，為勘察設(shè)計(jì)提供斷面量測(cè)、坡度坡向量測(cè)、土方填挖量等信息，大大減少工程勘察設(shè)計(jì)中的外業(yè)工作量，縮短工作周期。

▲點(diǎn)云計(jì)算土方量



5

可用于監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害


通過地形三維模型的建立，可以大面積監(jiān)測(cè)地形的變化，可以根據(jù)地形的變化方向及地形的變化量，作出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)。例如，對(duì)滑坡體地表的監(jiān)測(cè)，特別是在陡坡下的道路、鐵軌，以及削坡建房等容易發(fā)生滑坡地區(qū)，能夠?yàn)榛麦w成因和發(fā)育趨勢(shì)的推斷提供重要依據(jù)。

▲削坡建房



上述五個(gè)方面，只是點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用的其中一部分。

因?yàn)榧す饫走_(dá)具備著以下幾個(gè)特點(diǎn)：

  • 全天候工作，主動(dòng)獲取數(shù)據(jù)；

  • 隱蔽性好，抗有源干擾能力強(qiáng)，且獲取數(shù)據(jù)范圍廣；

  • 激光穿透能力強(qiáng)；

  • 外業(yè)工作量小；

  • 點(diǎn)云精度高，空間坐標(biāo)信息準(zhǔn)確。


所以，激光雷達(dá)（LiDAR）獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，往往也適用資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦山測(cè)量、隧道測(cè)量、公路道路測(cè)量、電纜監(jiān)測(cè)、海洋深水測(cè)量等各個(gè)方面。
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