我國(guó)對(duì)外開(kāi)放30年以來(lái)，國(guó)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(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙的制作周期及精度要求越來(lái)越高，促使我國(guó)地理信息產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。現(xiàn)在面對(duì)人工成本增加、企業(yè)利潤(rùn)下滑等一系列社會(huì)問(wèn)題，企業(yè)如何通過(guò)技術(shù)升級(jí)來(lái)減少勞動(dòng)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(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所李奇博士，請(qǐng)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(dòng)式航空傳感器，通過(guò)集成定姿定位系統(tǒng)（POS）和激光測(cè)距儀，能夠直接獲取觀測(cè)點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)。按其功能分主要有兩大類(lèi)：一類(lèi)是測(cè)深機(jī)載LiDAR（或稱(chēng)海測(cè)型LiDAR），主要用于海底地形測(cè)量；另一類(lèi)是地形測(cè)量機(jī)載LiDAR（或稱(chēng)陸測(cè)型LiDAR），正廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(shì)。尤其對(duì)于一些測(cè)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(shì)更為明顯。
機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)從上世紀(jì)80年代開(kāi)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(cè)區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM），如果通過(guò)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(lái)沒(méi)有任何問(wèn)題，但對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)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(hào)定位？地物結(jié)構(gòu)對(duì)獲取的回波信號(hào)的形狀和大小有何影響？回波信號(hào)是如何被量化成幾次離散脈沖信號(hào)？等等。國(guó)外設(shè)備制造商往往將脈沖探測(cè)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(huì)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(cè)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(guó)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(guó)外廠家還要好。
解決上述問(wèn)題的途徑是將發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)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(hào)。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(lèi)型的激光雷達(dá)系統(tǒng)稱(chēng)為waveform-digitizing LIDAR。用戶(hù)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(cè)繪、林業(yè)、城市建模等等），對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
中國(guó)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(jí)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(duì)植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)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(méi)有植被，即使沒(méi)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(wú)法做到的。
這個(gè)數(shù)據(jù)是在一個(gè)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(jì)時(shí)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(jiàn)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(shuō)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?duì)激光的反射率很小造成波形起伏非常小，基本上由噪音組成，系統(tǒng)會(huì)在一個(gè)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(guò)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(guó)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(duì)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(cè)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(guó)科技的持續(xù)進(jìn)步，我國(guó)未來(lái)完全有能力引領(lǐng)適合我國(guó)國(guó)情的產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門(mén)資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
