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激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用前景展望

來源:網(wǎng)易科技報道2017-04-30 我要評論(0 )   

我國對外開放30年以來,國家基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)生了翻天覆地的變化。城市規(guī)劃、交通、水利、農(nóng)業(yè)、電力等基礎(chǔ)行業(yè)對規(guī)劃設(shè)計圖紙的制作周期及精度要求越來越高,促使我國地理信...

我國對外開放30年以來,國家基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)生了翻天覆地的變化。城市規(guī)劃、交通、水利、農(nóng)業(yè)、電力等基礎(chǔ)行業(yè)對規(guī)劃設(shè)計圖紙的制作周期及精度要求越來越高,促使我國地理信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展?,F(xiàn)在面對人工成本增加、企業(yè)利潤下滑等一系列社會問題,企業(yè)如何通過技術(shù)升級來減少勞動密集型工作,增加技術(shù)密集型工作,完成一次鳳凰涅槃。網(wǎng)易采訪中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所李奇博士,請他談?wù)劶す饫走_(dá)技術(shù)應(yīng)用的前景。

機(jī)載激光雷達(dá)(LiDAR)是一種新型主動式航空傳感器,通過集成定姿定位系統(tǒng)(POS)和激光測距儀,能夠直接獲取觀測點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)。按其功能分主要有兩大類:一類是測深機(jī)載LiDAR(或稱海測型LiDAR),主要用于海底地形測量;另一類是地形測量機(jī)載LiDAR(或稱陸測型LiDAR),正廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,在高精度三維地形數(shù)據(jù)(數(shù)字高程模型(DEM))的快速、準(zhǔn)確提取方面,具有傳統(tǒng)手段不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢。尤其對于一些測圖困難區(qū)的高精度DEM數(shù)據(jù)的獲取,如植被覆蓋區(qū)、海岸帶、島礁地區(qū)、沙漠地區(qū)等,LiDAR的技術(shù)優(yōu)勢更為明顯。


機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)從上世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)一些試驗(yàn)系統(tǒng),到90年代中后期逐漸成熟。現(xiàn)在的激光雷達(dá)可以記錄多次回波,首次回波建立測區(qū)的數(shù)字表面模型(DSM),如果通過一定的算法去除非地面點(diǎn),可以獲得數(shù)字地面模型(DTM)。這種工作方式看起來沒有任何問題,但對用戶來說是無法獲得任何與有關(guān)設(shè)備本身相關(guān)的一些信息的,如如何根據(jù)回波信號定位?地物結(jié)構(gòu)對獲取的回波信號的形狀和大小有何影響?回波信號是如何被量化成幾次離散脈沖信號?等等。國外設(shè)備制造商往往將脈沖探測和量化方法作為商業(yè)機(jī)密而保密。我們地理信息行業(yè)企業(yè)會因?yàn)榧す饫走_(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的不確定性增加野外實(shí)測數(shù)據(jù)工作量,并且增加內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理難度。我們需要破解國外激光雷達(dá)硬件廠家的技術(shù)機(jī)密,并且發(fā)明一種方法做的比國外廠家還要好。

解決上述問題的途徑是將發(fā)射信號和回波信號均以很小的采樣間隔進(jìn)行采樣并記錄,而不僅僅是記錄若干次離散的回波信號。這樣的采樣記錄方式即所謂的全波形數(shù)字化記錄,這種類型的激光雷達(dá)系統(tǒng)稱為waveform-digitizing LIDAR。用戶完全可以根據(jù)波形數(shù)據(jù),根據(jù)其自己的應(yīng)用領(lǐng)域(如測繪、林業(yè)、城市建模等等),對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

中國科學(xué)院李奇博士發(fā)明的機(jī)載激光雷達(dá)波形數(shù)據(jù)量化分解方法,可以比激光雷達(dá)設(shè)備制造商提供數(shù)量更多、回波次數(shù)更多和精度更高的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

全球頂級機(jī)載激光雷達(dá)硬件廠商RIEGL生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與李奇博士發(fā)明的高斯分解生產(chǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到表1所示的結(jié)果。從表中可以看出高斯分解提取的點(diǎn)云數(shù)量要比系統(tǒng)得到的要多,而且回波次數(shù)也要多,可以看出波形分解得到點(diǎn)云的層次感要更好。這對植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算,城市建模,地形斷線的提取都有很大的好處。

表1高斯分解和系統(tǒng)的比較

李奇博士發(fā)明的波形數(shù)據(jù)高斯分解方法得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)有更多的層次感,可以很直觀地看到哪里的植被比較多,哪里沒有植被,即使沒有光譜信息也可以做出準(zhǔn)確的判斷,在這里甚至可以判斷植被的密集程度和高矮,這是影像無法做到的。

這個數(shù)據(jù)是在一個有植被覆蓋的山區(qū)采集的,機(jī)載激光雷達(dá)生產(chǎn)的重要產(chǎn)品之一就是DTM和DSM。系統(tǒng)的脈沖觸發(fā)計時器在垂直方向上的分辨率大約為2米,表2分析了RIEGL系統(tǒng)和李奇博士的高斯分解方法在最后一次回波上的表現(xiàn)。可見在最大高程上兩者基本一致,但高斯分解得到的最小高程要比系統(tǒng)得到的低2.04米,平均高程低0.065米,說明李奇博士的方法在低矮植被處表現(xiàn)更好,使DTM生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量有更好的保證。系統(tǒng)提取的點(diǎn)比高斯分解得到的多是因?yàn)橛行┑匚飳す獾姆瓷渎屎苄≡斐刹ㄐ纹鸱浅P?,基本上由噪音組成,系統(tǒng)會在一個噪音很突出的地方記錄一次回波,而高斯分解則認(rèn)為它是噪音而不記錄。系統(tǒng)得到的奇異點(diǎn)比高斯分解要多。

表2最后一次回波的比較


通過表1和表2,我們可以看出李奇博士的方法得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量要比國外激光雷達(dá)硬件廠商RIEGL系統(tǒng)得到的要高。此發(fā)明讓企業(yè)數(shù)據(jù)處理人員對設(shè)備采集的數(shù)據(jù)精度能做到知其然知其所以然,提高數(shù)據(jù)處理效率,并減少外業(yè)實(shí)測工作量,實(shí)實(shí)在在的幫助企業(yè)降低成本。

我們相信隨著我國科技的持續(xù)進(jìn)步,我國未來完全有能力引領(lǐng)適合我國國情的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級

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