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如果你对无人机感兴趣,那么对LIDAR这个名词可能也不陌生。

但是LIDAR到底是什么,又怎么和无人机一起运用的呢?

 

LIDAR究竟是什么?

LIDAR这个词有时被认为是Light Detection And Ranging(光感测距技术)的首字母缩略词,有时被认为是Light Imaging, Detection, And Ranging(光成像,检测以及测距)的首字母缩略词,但它最初则是Light和Radar(光和雷达)两个单词的融合。
LIDAR是一种集激光,全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统,用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统,这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量。
声纳也是通过类似的方式运作,声波从目标对象上反射并返回到其来源处,从而测量出到不同点的距离,进而实现景观的3D可视化。而采用“毫米波+ADAS”的视觉解决方案,对于物体的精确识别、色彩等等,可以更直接地捕捉。其实视觉解决方案对近处的距离识别也颇为精准,例如我们的眼睛可以轻易的辨认出近处物体的景深。但总的来说,在较远情况下,搭配LIDAR可以产生更好的效果。
无人机激光雷达(LIDAR)是一种相对较新的土地测量技术,使用了高精度激光扫描仪、全球定位系统(GPS)以及惯性导航系统(INS)。这三者组合可以实现令人难以置信的精确3D绘图。
相对于涉及了从大量照片合成数据的摄影测量技术而言,LIDAR技术革命性的一面是允许测量员直接穿过叶枝和其他干扰碎片,以实现景观详细地形图的构建,而无需进行实地勘察。
LIDAR现在应用于哪些场景?

▼数字城市
在数字化程度越来越高的今天,基于二维城市形象已经不能满足时代的要求了,将三维空间形象完整呈现已经成为发展的必然,也是“数字地球”的要求。因此,对快速获取三维空间数据,模拟和再现现实生活提出了更高的要求。LIDAR系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势,能够快速采集三维空间数据和影像,房屋建模速度快,高程精度高,纹理映射自动化程度高,能够满足分析与测量的需求,广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。

 

▼工程建筑测量
机载激光雷达测量能够为道路工程及其他建筑项目提供准确的高程数据。机载激光雷达生成的DEM结合GIS及CAD软件,可以是设计人员模拟各种方案以选择出最佳路线或最好位置。对于施工钱的原始预测,DEM结合正射影像可以为工程设计人员提供他们所需的大量地形和测量信息。

▼灾害监测与环境监测
利用机载LIDAR产生的DEM,水文学家可以预测洪水的范围,制定灾难减轻方案以及补救措施。典型的一套机载激光雷达系统可以在四小时内用一架固定翼飞机完成长30km区域的勘测。其垂直精度和达15cm,平均点距为1.5m,合计记录了153000000个反映详细地形和地物的数据点。也广泛应用于自然灾害(如飓风、地震、洪水滑坡等)的灾后评估和响应。

▼林业
机载激光雷达系统的最早商业应用领域之一,即为森林工业,森林业者和国土管理者需要森林及树冠下面的准确数据。在传统技术下,树高与树的密度很难获取的信息。在数据的后处理中,独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值,根据LIDAR数据,分析森林树木的覆盖率和覆盖面积,了解树木的疏密程度,年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积。通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度,及木材量的多少,便于相关部门进行宏观调控。

 

▼无人驾驶汽车
激光雷达可以侦测道路上的黄线,从而引导车辆行进路线;自适应巡航控制系统(ACC)也使用了激光雷达技术,从而帮助车辆实现巡航控制,在前面有车辆时减速,而在没有任何车辆的时候进行加速。

▼油气勘探
石油及天然气工业的勘测程序常常需要在短时间内快速传送与地形数据XYZ为准相关的数据。虽然有多种方法处理收集位置数据,但机载激光雷达测量是一种高速且不接触地面的数据获取方法。如用机载激光雷达进行勘测,最多只需要砍伐几行树,这样可以节省大量的经费且减少对环境的影响。 三维激光雷达技术是实现空间三维坐标和影像数据同步、快速、高精度获取的国际领先看空间技术,在采集地表数据方面具有传统航空摄影测量所无法比拟的巨大优势,三维激光雷达技术是即GPS以来测绘领域的又一场技术革新,是高精度逆向三维建模及重构技术的革命,是进行大区域空间探测的利器,是数字中国及各行业数字化的必由之路。

▼考古
LIDAR技术最值得炫酷的用途之一就是帮助考古学家发现新的废墟遗址,并帮助他们对遗址进行更好的了解。
在大多数情况下,考古学家可能不愿意对遗址进行进一步挖掘,因为他们不想冒险破坏目前在地球和沙土上保存下来的遗址,但是通过使用LIDAR技术,他们则不需要进行任何挖掘工作就能了解遗址的具体构造。

今年早些时候,就有报道透露,通过使用LIDAR技术,对位于中美洲地区,拥有着玛雅文明遗迹遗址、延伸430英里的埃尔米拉多(El Mirador)盆地进行了勘察;而这也是首次通过LIDAR技术发现的遗址。

如果不借助LIDAR技术,则或许不会发现埃尔米拉多,或者至少不会发现其全貌,这是非常重要的。因为此次埃尔米拉多废墟的发现表明了相比现有考古学理论对玛雅人所推测的远古时代更久远,进而导致我们对整个玛雅世界认知的重新反思。

那么LIDAR是怎么和无人机结合的呢?
在无人机之前,LIDAR技术只能用于飞机,这意味着其价格高昂,尚不能做到广泛推行。

但是随着无人机技术变得越来越实惠,LIDAR技术也开始逐渐进入大众视野,这意味着准确的测量开始变得对所有人都可用,而不仅仅是只能应用于大型、资金充足的项目。

虽然LIDAR技术成本仍然比摄影测量法要高,但是相比于之前,该技术接受度也更高。

(配备了LIDAR数据采集系统的无人机)

那么摄影测量法和激光雷达技术到底哪家强呢?

我们来PK一下

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摄影测量法vs激光雷达技术

当谈及测绘时,对于摄影测量法和激光雷达技术的比较价值一直有着持续的争论。

事实是,没有一个正确的答案;这只不过是关于具体应用的问题而已。对于某些用例而言,使用摄影测量法更好;而对于其他应用而言,使用激光雷达技术则更佳。

摄影测量是通过对照片进行测量,从而记录表面单个点的具体位置,进而形成3D绘图。

摄影测量一直是一个耗时的过程,但是由于可以通过一次飞行就能对单个地点拍摄成千长航拍图片,而且已经开发出了将所有这些图片融合成一张3D图片的新技术,无人机已经从根本上改变了一切。

那么你知道何时该使用LIDAR,何时该使用摄影测量法吗?

大体上来说,一般规则是,摄影测量法适用于对那些没有被树覆盖或其他障碍所阻挡的大型场所的测量;而激光雷达技术则适用于较小受阻的场所。

在以下情况下使用激光雷达技术:

在给树冠、矿场输送机以及其他障碍物进行绘图时,很难通过摄影测量技术为物体阻挡地面的区域构建高程模型。

对需要更准确细节的细长物体进行建模时,如传输线、管道、具有尖锐特征的物体(比如 屋脊边缘)或岩石场等,诸如SfM算法和DIM等替代绘图方法具有比LIDAR更低的“一致性”。

在以下情况下应使用摄影测量法:

对裸露的矿场、地球工程项目以及其他不被树木、建筑物或设备遮挡的地方进行绘图时,而无人机更便宜、更轻、更快。如果您要进行的建模不需要使用LIDAR技术,则将相机捆绑到您的无人机上,为您节省成本。

对于一个小型地图项目而言,摄影测量数据就能满足所有需求。

1小结

尽管如此,一般建议是,即使使用了LIDAR技术,还应该使用摄影测量技术。将两者的优势相结合。LIDAR是两个选项中成本更高的选项,但由于摄影测量将提供额外的有用数据,那么则可以同时使用这两种技术。

不过,新的LIDAR技术可能会改变其中的一些思路。毕竟,随着无人机激光雷达技术变得更廉价、可用性更大,其普及率也将不断提高。也许未来的一天,无人机将颠覆我们看世界的视角。

 

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