激光雷达遥感技术应用

逍遥设计自动化

引言
" \/ ~6 }) Z- K8 L激光雷达技术通过提供高精度三维空间信息，在多个领域得到广泛应用。本文探讨了激光雷达在九个主要应用领域的具体实践[1]。

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地形测绘
激光雷达技术可以快速生成高精度数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）和等高线。其过程通常从点云数据处理开始，然后进行表面模型构建和等高线生成。
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图1：激光雷达点云地形测绘流程图。

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$ R  g& K4 j0 D8 A( K# `1 M- O图2：点云去噪效果展示：(a) 去噪前显示框内噪点；(b) 去噪后的清晰点云数据。

DEM和DSM的构建可以通过多种空间插值算法实现，包括TIN插值、反距离加权（IDW）插值、自然邻域插值和克里金插值。
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& o( X! B; A. o* h9 Q图3：基于TIN的DEM和DSM示例，展示地形表面建模。

森林资源调查
6 W/ Z9 |' d# t& K" `激光雷达可以通过单木分割和参数提取进行详细的森林结构分析。这项技术可以提取树高、冠幅等结构参数信息。

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图4：单木分割结果，不同颜色代表不同的单株树木。

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图5：基于点云的森林结构参数提取：(a) 原始点云；(b) 归一化点云；(c) 冠层高度模型；(d) 空隙率；(e) 叶面积指数。
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输电线路检查
激光雷达技术通过实现输电走廊的精确三维建模，提升了输电线路检查的效率。这个过程包括点云分类、输电线路和铁塔建模以及安全性分析。

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) ~4 ~, ^7 N; l0 I图6：单条输电走廊的输电线路点云可视化。

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图7：输电塔点云提取展示：(a) 原始T形塔点云；(b) 提取后的T形塔点云；(c) 原始O形塔点云；(d) 提取后的O形塔点云。

  x/ H/ q* s# \1 {+ D建筑三维建模
* D9 E. f+ v' ?+ V. g" Q激光雷达通过点云处理、屋顶分割和模型生成，实现建筑物的精确三维建模。
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图8：建筑物屋顶分割过程展示：(a) 屋顶点云；(b) 提取的非平面点（红色）；(c) 平面点分割结果；(d) 最终分割结果。

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! r9 r. I  H4 s5 k图9：建筑物三维模型结果展示：(a) 屋顶线框模型；(b) 建筑物三维模型。

. y- _8 E+ T& u3 h; F* Q自动驾驶系统
$ {  J* E2 s! Q激光雷达在自动驾驶车辆的环境感知和自主定位方面发挥关键作用。该技术可以实现准确的物体检测和驾驶环境的语义分割。

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& n! U4 y2 G/ o% p' f, j图10：点云语义分割结果，显示驾驶环境中的不同物体。

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- A8 d2 C2 Z# @( r' ?! D* l图11：道路场景点云的物体检测结果。
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作物监测应用
, Y0 R, S; u/ m4 E7 Z激光雷达能够详细监测作物参数，包括叶角分布、叶面积体积密度和光合有效辐射分数吸收率（FPAR）。

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图12：玉米茎叶点云识别：(a) 原始激光雷达点云；(b) 识别的玉米叶片点云；(c) 放大的玉米叶片点云；(d) 放大的玉米茎秆点云。
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) C  C; L1 T7 B  U3 e; b; _图13：基于体素方法的玉米植株叶面积体积密度估算。

文化遗产保护
激光雷达技术通过对历史建筑进行详细的三维扫描和建模，显著提升了文化遗产保护工作的精度。
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1 T% A/ F4 t; Y6 f- _, m, r) }图14：塔克奥寺庙三维建模展示：(a) 未着色的原始点云；(b) 着色后的点云；(c) 未着色的三维模型；(d) 渲染后的彩色三维模型。

室内建模与导航
激光雷达通过点云处理和空间拓扑构建，实现了精确的室内测绘和导航功能。

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图15：基于语义的室内导航网络构建和编码流程图。
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图16：通过模拟射线的公共边界面占用分析。

水下测绘
激光雷达技术，特别是机载激光雷达测深技术，可以高效地进行水下地形测绘和水位监测。

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4 v8 E" L  R% P图17：机载激光雷达测深示意图。
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图18：水面和水底光子提取结果。
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# l" F3 [7 F$ o8 X! J此项技术在各个应用领域都显示出独特优势：

在地形测绘中，提供了高精度的地形建模能力

在森林调查中，可以详细分析冠层结构和单株树木

在输电线路检查中，可以全面监测输电走廊安全

在建筑建模中，可以准确重建复杂建筑结构

在自动驾驶中，提供了重要的环境感知功能

在作物监测中，可以精确测量植物参数

在文化遗产保护中，可以详细记录和保护文物

在室内导航中，实现了精确的空间测绘和路径规划

在水下测绘中，提供了高效的水深测量能力

随着激光雷达技术与其他感测方法和先进处理算法的结合，应用范围不断扩大，性能持续提升。这些进展推动着更多创新应用的产生。
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参考文献
[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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