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无人机激光雷达:改变人们观察世界的颠覆性技术

美嘉欣 发表于 2017-9-6 15:05:32 | 显示全部楼层 |阅读模式 [复制链接]
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如果您对无人机感兴趣,那么您可能已经听说了LiDAR这个词,特别是在过去几年里。
但是什么是LiDAR呢,它又是如何与无人机一起使用的呢?
这篇文章将深入讨论这个主题:首先将对LiDAR进行详细讲述,然后再阐述LiDAR与无人机一起使用的不同场景。
LiDAR意为何物?
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是一种土地测量方法,通过用脉冲激光照射该目标区域,并用传感器测量反射脉冲,从而测量与目标区域的距离。然后,通过使用激光返回所需的时间以及波长的差异来制作目标区域的数字3D显示。
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。
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LiDAR成像示例:Velodyne无人机3D绘图系统

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。
当前无人机是如何与LiDAR共同使用的?
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(我们将在下文详细地介绍这两种测量数据收集方法之间的差异),但相比一年或两年前,该技术接受度也更高。
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配备了LiDAR数据采集系统的无人机
在进行以下测量时往往需要使用LiDAR技术:
对树冠,矿场输送机和其他障碍物进行绘图时;
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。
下面将对一些使用了LiDAR技术的场景进行详解。
考古学
LiDAR技术最值得称赞的(而且很炫酷的)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。
农业
LiDAR技术能帮助农民发现昂贵的肥料使用过度的区域,以及帮助构建能被进行转化构建边坡和阳光照射区域地图的农田高程地图。
通过LiDAR提供的图层信息可用于创建作物生产区域图,提取的数据可以帮助农民节约肥料,并极大地优化其工作。
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工业测量和绘图
LiDAR能用于各种工业应用,以构建如下3D地图:
库存测量;
矿山和采矿矿石量测量;
大型工业项目和建筑项目的地形绘图;
资源追踪;
测量交通道路(即使有汽车在驶时)。
需要注意的是,在工业应用中,LiDAR通常与摄影测量结合使用(下文将对两者进行深入比较)。
自然资源保护
LiDAR有助于为保护工作制作准确的地图,美国许多州已经进行了密集的数据收集工作,以更好地了解自然资源,从而更好地开展保护工作。
例如,美国爱荷华州自然资源部利用LiDAR数据来通报他们的地理信息系统(GIS),这是一个关于该州所有自然资源的信息库。
林业也是使用了LiDAR测量树冠层高度、生物量测量以及叶片面积的一个领域。
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水资源保护是利用地激光雷达数据来绘制涵洞、冲积平原,流域以及淹没地区(即今后可能发生洪涝和干旱的地区)地图的另一个领域。
“LiDAR数据,包括轮廓图、数字高程模型、山体阴影投影图等衍生品都有助于广泛的自然资源保护。”-明尼苏达大学水资源中心
此外,还能通过LiDAR进行沙丘监测以及其他相关自然资源监测;甚至有一些国家公园开始使用无人机对沙丘运动进行绘制和建模,从而实现相关调查。
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。
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UAV将为您节省成本。
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。

小结:
尽管如此,一般建议是,如果使用了LiDAR技术,还应该使用摄影测量技术。这样做的理由是,LiDAR是两个选项中成本更高的选项,并且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。
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