机载Lidar数据处理及应用

机载Lidar数据处理及应用

杜文华,和璇,崔佳 

云南省基础测绘技术中心,云南  昆明  650034

摘要：本文介绍了机载Lidar技术及其应用领域。机载Lidar是一种激光雷达系统，通过发射激光束并接收反射回来的信号，可以获取地表、建筑物、植被等物体的精确三维信息。在引言部分，我们介绍了机载Lidar技术的基本原理和优势。随后，我们从地形测绘、建筑物三维建模、植被监测、城市规划、交通管理、环境监测和资源勘探等五个方面展开讲述了机载Lidar的应用。结语部分总结了机载Lidar技术的广泛应用，并强调了其对各个领域的重要性和未来发展的潜力。

关键词：机载；Lidar；数据处理；应用

引言

机载Lidar技术作为一种高精度、高效率的数据获取工具，在各个领域得到了广泛的应用。通过发射激光束并测量反射信号的时间和强度，机载Lidar可以实现对地表、建筑物和植被等目标的快速三维测量。其准确度和细节程度超过了传统的测量方法，使得机载Lidar成为许多领域研究、规划和决策的重要工具。

1.机载Lida技术简介

机载Lidar（激光雷达）技术是一种基于激光信号的远程感知技术，广泛应用于地球观测、环境监测、城市规划、农业、林业和地质勘探等领域。Lidar系统通过发射激光脉冲并接收反射回来的信号，可以获取目标物体的距离、形状、位置和运动等信息。机载Lidar系统是将激光雷达安装在航空器上，通过航空平台快速获取大范围的地面、建筑物、植被等目标的高精度三维点云数据。

机载Lidar技术具有许多优势。首先，它可以快速获取大范围的三维地理信息。相比传统的地面勘测方法，机载Lidar能够在较短的时间内覆盖更大的区域，并生成高密度、高精度的点云数据。这使得它在大规模地形建模、城市三维重建和灾害监测等方面具有显著优势。其次，机载Lidar技术具有高度自动化和高效性。由于激光雷达的高速扫描和数据采集能力，机载Lidar系统可以在飞行过程中实时获取数据，并实现实时数据处理和分析。这使得数据获取和处理的周期大大缩短，提高了测量和监测的效率。此外，机载Lidar还可以在复杂地形和植被覆盖区域中进行测量，有效克服了传统方法的局限性。

2.机载Lidar数据处理步骤

2.1数据预处理

数据预处理是机载Lidar数据处理的首要步骤。它包括去噪、滤波和配准等操作。由于机载Lidar数据受到飞行平台的振动、大气干扰和地面杂散等因素的影响，数据中常常存在噪点和异常值。因此，去噪和滤波操作可以通过采用滑动窗口、高斯滤波和统计滤波等方法，去除数据中的噪声和异常值，提高数据质量。同时，配准操作可以将多个数据帧的点云数据对齐，消除由于飞行姿态变化导致的点云不连续性。

2.2特征提取和分割

在机载Lidar数据中，点云表示了被测量目标的三维空间分布。特征提取和分割是从点云数据中提取有用信息的关键步骤。通过采用聚类分析、曲面拟合和法线计算等算法，可以识别出不同目标的特征，如建筑物、道路和植被等。此外，基于分割算法，还可以将点云数据分割为不同的部分，进一步提取感兴趣区域，为后续分析和应用提供准确的数据基础。

2.3数据配准和融合

机载Lidar系统获取的点云数据通常涉及多个视角和覆盖区域。因此，数据配准和融合是将多个点云数据集整合为一个统一的坐标系的重要步骤。通过使用配准算法，可以计算点云数据之间的相对位姿关系，并将它们对齐到全局坐标系中。此外，数据融合可以将多个视角的点云数据合并成一个统一的点云模型，提供更全面和连续的信息。

3.机载Lidar应用

3.1地形测绘和地貌分析

机载Lidar技术在地形测绘和地貌分析方面扮演着关键角色。通过激光雷达系统获取的高精度点云数据，可以实现对地表的准确测绘和地形建模。这些数据可用于土地规划、工程设计和自然资源管理等领域。地形模型可以提供详细的地势信息，帮助评估土地可行性、确定建筑物的位置和高度要求，并支持灾害风险评估和水资源管理。此外，机载Lidar还能够捕捉地表特征的细节，如河流、湖泊、植被和土地覆盖类型等，为地貌分析和土地利用研究提供丰富的数据基础。通过机载Lidar的应用，我们可以更好地了解地球表面的形态特征和演化过程，为环境保护、资源管理和城市规划提供科学依据。

3.2建筑物三维建模与变形监测

机载Lidar技术在建筑物三维建模和变形监测方面发挥着关键作用。通过快速获取建筑物的高密度点云数据，机载Lidar能够精确地捕捉建筑物的几何形状和细节。这些数据可用于建筑设计和城市规划，帮助建筑师、设计师和规划者在设计过程中进行可视化分析和决策。此外，机载Lidar还在文化遗产保护方面发挥重要作用，用于记录和保护历史建筑物的原貌和细节，以支持文化遗产的传承和保护。

另一方面，机载Lidar还可用于建筑物的变形监测。通过定期进行机载Lidar测量，可以实时监测建筑物的结构变化和变形情况。这对于工程结构的安全评估和维护至关重要。通过对建筑物的形变进行分析，可以及时发现潜在的结构问题，预防灾难性的事故发生，并采取相应的维修和加固措施。同时，机载Lidar还能够提供高精度的建筑物形变数据，用于结构健康监测和工程结构模型的验证。

3.3植被监测与森林资源管理

机载Lidar技术在植被监测和森林资源管理方面扮演着重要的角色。通过机载Lidar系统获取的点云数据，可以提供详细的植被结构信息，如树木高度、树冠形状、植被覆盖密度等。这些数据可用于评估植被覆盖程度、监测植被变化以及评估生物多样性和生态系统健康状况。同时，机载Lidar还能够获取森林中不同层次的植被信息，包括底层植被、灌木和高大乔木，提供了全面的植被监测能力。

植被监测是森林资源管理的重要组成部分。机载Lidar技术可以为森林资源管理者提供精确的植被信息，用于森林资源的调查和评估。通过对植被覆盖和生物量的测量，可以估算森林生态系统的碳储量和碳排放，为森林碳交易和碳排放减少项目提供依据。此外，机载Lidar还可以帮助识别病虫害的扩散情况和森林火灾的潜在风险，及早采取相应的管理措施。

3.4城市规划与交通管理

机载Lidar技术在城市规划和交通管理方面发挥着重要的作用。通过机载Lidar系统获取的高精度点云数据，可以生成城市的详细三维模型，提供精确的地形和建筑物信息。这些模型可以用于城市规划和土地利用规划，帮助规划者评估不同规划方案对城市景观、建筑布局和交通流的影响。此外，机载Lidar还能够提供道路网络的详细信息，包括道路几何特征、车道线、交通标志等。这些数据对于交通规划和交通管理至关重要。基于机载Lidar数据，可以进行交通流模拟、交通拥堵分析和交通信号优化，帮助提高城市交通的效率和安全性。此外，机载Lidar还可以用于城市环境评估，包括噪声污染、空气质量和绿地分布等方面的分析。综上所述，机载Lidar技术在城市规划和交通管理方面的应用能够提供宝贵的数据支持，促进城市的可持续发展和交通的智能化管理。

3.5环境监测与资源勘探

机载Lidar技术在环境监测和资源勘探方面也具有重要应用。通过机载Lidar系统获取的点云数据，可以实现环境监测和资源勘探的高效、精确和全面的数据获取。例如，在海洋环境监测中，机载Lidar可以用于海岸线变化监测、海洋生态系统调查和海洋污染监测等。在矿产资源勘探中，机载Lidar可以提供地质结构和地形特征，帮助寻找矿藏和评估矿产资源潜力。此外，机载Lidar还可以应用于气候变化研究、湿地保护、河流水质监测等环境领域。

4.结语

机载Lidar技术的应用范围广泛，对地理信息、城市规划、环境保护和资源勘探等方面具有重要意义。通过对地形、建筑物和植被等目标的高精度测量，机载Lidar为各个领域提供了精确、全面和高效的数据支持。随着技术的不断进步和创新，机载Lidar的应用前景更加广阔。我们期待在未来看到更多领域利用机载Lidar技术实现更精确、可持续发展的研究和规划。

参考文献

[1]阮天宇.机载LIDAR数据处理及堆料三维重建应用研究[D].华北电力大学,2018.

[2]范锐朋,张凤.机载Lidar数据处理及应用的探讨[J].工程建设与设计,2016(08):237.

[3]李新科.机载LiDAR数据中屋顶特征线提取关键技术研究[D].武汉大学,2014.

第一作者简介

杜文华（1972－），女（土家族），云南昆明人，高级工程师，本科，主要从事测绘工作。