LIDAR点云的获取及分类方法浅析

Lidar能够实时快速的获取高精度的三维地面信息;Lidar产品能方便的与多种实用程序软件接口直接连接,如CAD、三维动画软件等等。这些优势使得Lidar得到了越来越广泛的应用。机载激光雷达(Light Detection And Ranging,简称LiDAR)量测技术是应用机载激光雷达系统进行三维空间测量,得到密集的地面物体的三维坐标点云数据,再通过相关软件处理后,获得DEM、等高线图、正射影像图及三维建筑物模型。由于Li DAR系统本身包含激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术,并与数字航摄仪相结合,而且激光脉冲不受阴影和太阳角度影响,其高程数据精度不受航高限制,因此经过专用软件处理,可在空中完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产,大大提高航测成图的作业生产效率,减少生产环节,缩短生产周期,提高成图精度。由于比常规摄影测量更具优越性,近些年得到了迅速发展。     

机载LiDAR技术及其在地学中的应用

机载LiDAR技术是近10年出现的高新技术之一,能迅速获取密集的地面三维数据.机载LiDAR系统是一种主动式的对地观测系统,激光测距单元记录每一个激光发射器产生并发射一束激光脉冲,到激光脉冲接触物体而反射冉被激光接收机接收到这整个过程的时间,差分GPS确定飞机的精确位置,IMU记录飞机飞行姿态,通过将时间、位置、姿态这三种数据进行联合计算得到地物的实际高程信息.机载LiDAR数据处理主要包括航迹确定、三维空间坐标计算、噪声剔除、滤波和拼接等.国内外对LiDAR的硬件、软件和算法都开展了大量研究,并且将其广泛应用到各个领域,如地形测量、断层调查、灾害调查等.     

FFIM用于机载大气激光雷达 ABCT反演的可行性研究

Fernald前向积分法能否用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数的反演一直是一个有争议的课题.本文利用青岛机载大气探测激光雷达实测数据、国外机载大气探测激光雷达实测数据和机载大气探测激光雷达模拟数据,对Fernald前向积分法应用于不同高度的机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演的误差进行了定量分析,分析结果表明:飞机的飞行高度在3.5 km左右,标定值存在20%的误差时,离地面2 km的高度范围内反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差在12%以内,但在标定点附近相对误差可达20%;飞机飞行高度在7 km左右,当标定值存在100%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大都在10%~15%之间,标定值存在400%的误差时,反演得到的气溶胶后向散射系数的相对误差大部分在15%~50%之间.本文从理论上对Fernald前向积分法应用于机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演出现负值的原因进行了探讨.研究表明:Fernald前向积分法能够较准确地反演出中高空探测(4.5 km以上)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数,但应用于低空探测(4.5 km以下)机载大气探测激光雷达气溶胶后向散射系数反演时,反演误差较大甚至反演结果会出现负值.     

基于LiDAR数据开展活动断层填图的实验研究——以新疆独山子背斜-逆冲断裂带为例

机载LiDAR技术为描绘活动构造相关构造地貌和最新的地表形变提供更精确的基础数据。如何将LiDAR新技术、新数据应用于活动构造填图和活动断层地震危险性评价等方面,是今后活动构造研究领域的一个重要的发展方向。文中以新疆天山北麓的独山子背斜-逆冲断裂带为试验区,开展了基于LiDAR数据的活动构造填图实验研究。首先,采用机载LiDAR技术进行数据采集,获得点云密度为6.6个/m2、平均点间距为0.39m的LiDAR原始数据;其次,利用试验区内12个测量精度可达mm级的GPS静态测量点评估LiDAR的相对垂直精度为0.12m、均方差值为0.078m;最后,对密度为6.4个/m2的地面点云数据进行DEM最佳分辨率评估,利用反距离权重算法获得0.5m分辨率的数据高程模型(DEM)。该分辨率的DEM数据足以完成独山子背斜-逆冲断裂带的精细构造地貌特征的确定以及高精度的空间解译。文中仅使用DEM可视化工具从不同虚拟的视角、不同色度或其他处理方式来识别微构造地貌、划分地貌面和确定断层位置等,宏观上获得与前人通过航片解译和野外调查一致的断裂分布特征,微观上较前者具有更高的精细程度。此外,数据采集、数据质量检验、数据处理及数据应用等技术和方法适用于其他能够获得LiDAR地形数据的活动断裂研究工作。     

地震后机载LiDAR点云的地物区分方法研究

利用机载激光雷达扫描（Light Detection and Ranging,LiDAR）技术所得点云进行震后倒塌建筑物提取时,树木与倒塌建筑物的点云特征十分相似,较难区分。为了快速准确获取震后房屋建筑物的受损情况,本文提出使用回波次数比特征指标,结合前人所提出的点云回波强度、归一化强度、最邻近点高差、法向量夹角、X向坡角和Y向坡角等特征的均值和标准差,利用K-最近邻分类法实现单体地物区分的方法。对2010年海地7.0地震震后机载LiDAR数据进行了地面点去除,分别选取了未倒塌建筑物、倒塌建筑物和树木各50个训练样本和各20个测试样本,计算了各因子的分布及其均值和标准差,在分析的基础上最终选取了可分性较强的8个分类特征,利用K-最近邻分类法对测试样本进行了分类,结果显示分类正确率可达85%以上。研究表明选取多个有效的LiDAR点云分类特征可以较好地区分震后未倒塌建筑物、倒塌建筑物和树木,提高震后建筑物震害程度判定的准确性,为应急救援及时提供较为准确的灾情信息支持。     

机载激光雷达技术在构造地貌定量化研究中的应用

<正>在过去的10年,激光雷达(Light Detection and Ranging,简写为LiDAR)技术凭借其能够精确、快速地获取地面三维数据的技术特点已在众多行业领域得到广泛运用。该技术集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等设备,其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高精度的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息,而被动光电成像设备(航空摄影相机)则可获取探测目标的数字成像信息。上述数据经后续处理可生成三维激光点云,     

机载激光雷达在工程建模中的应用

机载激光雷达的应用有效的提高了工程建设中的空间数据收集效率,其能够快速获取数据并形成三维数据及模型。机载激光雷达融合多种技术,有效避免了传统技术中的缺陷。本文对机载激光雷达在工程建模中的应用进行简述。     

基于机载LiDAR数据的建筑物震害识别特征参数研究

地震导致的建筑物破坏是人员伤亡和经济损失的主要因素,房屋破坏程度调查是灾害损失评估的重要依据。国内外多次地震应急遥感应用实践证明,高分辨率卫星和航空遥感已成为灾害监测的重要手段。激光雷达(Light Detection and Ranging,LiDAR)是一种新兴的主动遥感技术,可快速获取高精度地面高程信息,能够监测地震造成的地表变形、滑坡、堰塞湖等地震次生灾害和地表破裂以及道路、建筑物等的损坏。     

机载激光雷达技术在地质灾害调查中的应用——以四川九寨沟7.0级地震为例

九寨沟7.0级地震诱发的地质灾害具有高位滑坡远程灾害的特点,传统地质灾害排查手段无法有效解决隐患的早期识别问题。本文采用机载激光雷达测量技术,快速获取九寨沟地震核心景区的激光点云数据。通过构建高精度数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM),建立三维地质灾害解译场景,利用数字地形分析、地形形态学分析和计算机图像识别等技术,综合开展九寨沟高位远程区域内隐蔽性强、随机性大的地质灾害隐患早期识别与分析。应用实践表明,机载激光雷达测量技术可以提高九寨沟地震灾区地质灾害隐患的早期识别能力,对进一步提高综合防灾减灾能力提供了一些可借鉴的思路。     

融合星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像的长江中游洲滩典型禾本科植物高度动态研究

植物是大型河流生态系统的重要成分。但受气候变化和人类活动影响,洲滩禾本科植物高度不断发生调整,进而影响洲滩生境和河道防洪安全,故需长期监测。近年来,伴随着星载激光雷达(LiDAR)技术的发展,应用LiDAR卫星数据反演洲滩禾本科植物高度成为一种可能。本文融合新一代星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像,基于XGBoost算法构建了考虑物候、累积温度与光合有效辐射指标的洲滩典型禾本科植物高度外推模型,同时利用Attention-UNet算法搭建了洪淹区域识别模型。随后以长江中游洲滩为例,探明了星载LiDAR技术在获取洲滩植株高度方面的性能,分析了各指标对模型精度的影响,并初步得出了洲滩典型禾本科植物高度对不同淹没条件的响应模式。主要结论包括:(1)星载LiDAR系统GEDI具有准确探测洲滩植物高度的能力,与无人机航测数据相比RMSE=0.43 m;(2)运用GEDI数据构建禾本科植物高度外推模型时,考虑物候和累积温度等指标可有效提升模型精度,提升幅度为6.8%～10.7%;(3)利用无人机航测数据对模型外推植物高度进行评价,RMSE=0.80m。同时从模型外推结果中可知...     

基于LiDAR的建筑物震害分析

激光雷达技术(light detection and ranging,LiDAR)是近年来在摄影测量与遥感领域发展起来的新型技术,在地震灾后评估工作中的应用仍处于探索及起步阶段,但已经展现出巨大的应用潜力。本文从震害评估的需求出发,基于地面LiDAR技术,深入研究了地震灾区建筑物点云数据采集及处理的方法,在此基础上进行震害信息提取及联合分析。主要研究内容总结如下:(1)传统方法的适应性改进与提高。研究了利用地面LiDAR设备开展测量工作的框架和关键方法,针对震害建筑物点云形状不规则、数据冗余度较高及噪声较多的特点,本文通过改进传统点云数据处理算法的关键参数,给出了合理的兼顾数据处理效率及效果的算法阈值,通过实验检验算法组合的有效性,实现了震害建筑物点云数据的高效处理。(2)首次提出实验性点云震害定量分析模型。提出了基于地面LiDAR的建筑物形状分析模型(terrestrial laser scanning-based building shape analysis model,TLS-BSAM),用于完成建筑物震害程度识别和分析。该模型融合了边缘提取、形状聚类及判别分析方法,有效解决了建筑物等高多边形序列提取、形状离散参数提取、不规则建筑物区块分割和震害分析等问题。模型给出了建筑物等高多边形序列最优采样间隔0.5~1m,最大限度保存建筑物震害特征以实现基于离散点云的形状分析。提出了等高多边形的长宽比r、倾斜方向θ、矩形度R、紧致度C和中心点位置x,y等特征参数,并通过K-means聚类方法,实现不规则建筑物区块准确分割,通过对各参数进行加权平均提取形状离散参数,可有效表达建筑物单体破坏状况的特征。其中倾斜方向、矩形度、紧致度和中心点能较好地反映建筑物的破坏情况,该模型通过建立判别函数对现有建筑物样本震害程度识别效果较理想。(3)拓展点云应用,提高精度。利用面向对象方法,将点云高程、回波次数及回波强度信息等作为特征参数,丰富了传统建筑物特征描述因子,并结合点云的光谱特征构建了建筑物信息提取规则集,阐述了基于点云数据的面向对象方法提取建筑物的关键流程,实现了高精度的建筑物信息提取,与实地调查结果相比,提取精度可达90%以上。(4)建立理论基础,提供新思路与方法。基于LiDAR数据与SAR图像,通过距离-多普勒模型(R-D)及射线追踪法的SAR图像模拟方法,选择典型震害建筑物开展SAR后向散射及三维几何剖面联合分析,阐述了各类震害的表达形式,为震害遥感的定量分析和自动判读建立了良好的理论基础,实现震害建筑物特征的高可信分析及解译,为震后SAR图像解译和建筑物震害分析提供了一种新思路与方法。     

基于震后机载激光雷达点云的建筑物破坏特征分析

本文利用2010年海地MW7.0地震震后获取的机载激光雷达(LiDAR)三维点云数据,通过人机交互的方式选取受损程度不同的典型建筑物点云数据,比较分析倒塌建筑物与完好建筑物点云数据的高度、坡度和法向量等分布特征,提出了用建筑物点云高度均值偏离度、屋顶面坡度值以及法向量与天顶方向夹角等因子判定建筑物破坏程度.试验分析结果表明,高度均值偏离度因子对单个建筑物的破坏部分识别效果较好,屋顶面坡度值因子可以识别建筑物破坏部分的边缘,点云法向量与天顶方向夹角因子能够较好地识别大范围区域内的建筑物破坏情况,因此上述判定因子均能在一定情况下表征建筑物的破坏情况.     

基于高精度地基LiDAR技术的活动断层错断地貌研究——以冷龙岭活动断裂带为例

高精度地形测量是活动断裂带定量研究的重要途径,通过对强震活动形成的错断地貌进行测量分析,可以估算断层位移,分析断层破裂的历史过程,揭示强震复发特征。激光雷达测距技术(LiDAR)为研究断层破裂特征提供了重要手段。选取青藏高原东北缘的冷龙岭活动断裂为研究目标,利用地基LiDAR对一些典型错断地貌进行了测量,并就地基LiDAR构建活动断层三维错断地貌的关键技术问题进行了分析。通过对测量得到的点云数据进行点云匹配、镶嵌、植物滤除以及不规则三角网建模处理,得到了0.05m空间分辨率的数字高程模型,划分了地貌单元,识别了断层陡坎与断层错断冲沟等地貌,实现了对断裂微地貌形态的高清晰度三维再现,并据此揭示了沿断裂带存在的多次地震事件,断裂主要表现为左旋走滑活动,并具有微小的倾滑运动分量。     

机载激光雷达对青岛及周边海域的气溶胶探测

工作波长为532 nm的机载大气环境探测激光雷达AEDAL（Atmospheric Environment Detecting Airborne Lidar）装载在CMS_3807飞机上，于2005年11月7～11日期间在青岛地区及周边海域上空进行了飞行探测.此次实验的目的有两个：验证我国用于大气环境探测的激光雷达技术已经具备从地基向空基乃至天基发展的条件；获得青岛地区及周边海域边界层结构及大气气溶胶时空分布变化的特点.激光雷达的高时空分辨率为获取飞行路径上的边界层结构及气溶胶时空分布提供了可能.为了研究下垫面对边界层及气溶胶时空分布的影响，预定的飞行路径上包含了丰富的地形变化，有城市、丘陵、海区等.通过给出11月8日及11日的探测结果，不仅得到了不同地区边界层结构及气溶胶的时空分布特点，还可以看到冷锋、地形、地面气象场等因素对它们的影响.     

机载探地雷达的进展以及数值模拟

机载探地雷达可能解决危险环境或广域条件下的近地表探测问题,用于解决环境、生态或军事方面的问题.然而由于种种原因,该技术的发展却显得比较慢.为了推进该技术的发展,本文介绍了目前世界范围内机载探地雷达的进展,并利用时间域有限差分法对一些典型模型进行数值模拟,并用特定的偏移成像方法对模拟结果进行成像.目前存在的机载探地雷达主要有三种类型:第一种为将常规探地雷达天线悬挂在直升飞机上,第二种为针对机载探地雷达开发的雷达系统,第三种为具有探地能力的合成孔径雷达.数值模拟结果表明,不管是水平地面的情况下,还是起伏界面的情况下,机载探地雷达都能清楚探测一定深度范围内的地下目标.可见,机载探地雷达是存满希望的一种方法.     

三维坐标转换在震后建筑物LiDAR点云中的应用

为了解决建筑物LiDAR点云数据震害信息定量分析中坐标系转换的问题,对经过滤波、去噪、分割提取的建筑物独立墙面LiDAR点云数据进行了三维坐标转换,并与仪器配套软件的转换结果进行对比验证,坐标系转换算法的结果与x轴方向水平线吻合,优于软件转换结果。该方法的建立降低了数据处理过程中人为误差因素,提高了地基LiDAR点云数据坐标系转换的精准性和准确性,有助于提高震后建筑物LiDAR点云数据处理分析的效率,为后期建筑物震害信息定量分析判定奠定理论基础和技术支撑。     

机载激光雷达森林叶面积指数反演研究

叶面积指数(LAI)是分析冠层结构最常用的参数之一,它控制着植被的生物物理过程,如光合、呼吸、蒸腾、碳循环和降水截获等,因此快速、可靠和客观地评价LAI非常重要.本文发展了激光穿透指数(LPI)的简化计算方法,首次利用校正后的回波强度计算出LPI,以LPI为变量基于Beer-Lambert定律实现了甘肃大野口研究区森林LAI反演,并且与原始回波强度和回波数反演LAI的精度进行对比,结果发现通过距离和角度校正后的回波强度值能提高LAI反演精度.为了评价模型的可靠性和泛化性能,用留一法交叉验证程序(LOOCV)对最佳反演模型进行了验证,表明该模型没有过度拟合,具有很好的泛化能力.最后,用没有参加建模的16个实测LAI对预测值进行精度验证(R²=0.810,RMSE=0.198),发现校正后的回波强度反演山区森林LAI精度较高.本文还对激光雷达LAI反演结果与传统光学TM影像的反演结果进行了对比分析,结果表明机载激光雷达反演LAI精度(R²=0.825,RMSE=0.165)高于光学TM遥感数据(R²=0.605,RMSE=0.257),因此,可用激光雷达数据实现研究区的高精度LAI反演,为生态环境研究提供可靠的基础数据.     

利用激光雷达测量重力波三维结构

激光雷达观测得到的密度、温度等数据被广泛应用于大气重力波研究.瑞利激光雷达可以获取激光路径上的大气密度、温度数据.对于大气中的三维波动而言,单条路径上的观测参量能提取得到的波动信息有限.本文首先以单色重力波为例,分析了利用激光雷达直接观测三维波动结构的可行性.激光雷达垂直观测即可得到重力波的垂直波长,当激光雷达以一定的天顶角斜向测量时,所得到的波长包含了重力波的垂直波长以及水平波长信息.因此,利用激光雷达同时以三个方向(垂直、向南(天顶角30°)以及向西(天顶角30°))测量,可以提取得到重力波的垂直波长和水平波长.本文利用中国科学院国家空间科学中心研制的车载532nm瑞利激光雷达的经向系统和纬向系统同时以不同的指向角观测大气重力波,对利用激光雷达获取三维波动结构的方法进行了分析研究.本文给出了北京地区激光雷达观测重力波的诸多案例,分析了30~60km高度范围内北京地区大气重力波的垂直及水平波长信息.并以2017年11月7日观测的准单色重力波为例,结合再分析资料的风场数据,分析了该重力波的水平波长,垂直波长及传播方向等信息.     

激光雷达(LiDAR):获取高精度古地震探槽信息的一种新技术

激光雷达技术是近几十年新发展起来的一种测量技术,已被广泛应用于工程测量、文物保护及地形测量等方面,近几年来活动构造的研究中也已逐步引入。作为活动构造研究的最基础的古地震研究一直还采用传统的地质素描技术进行探槽信息获取,数码照相技术的引入虽然解决了一些问题,但由于照相技术本身的限制,很难克服获取信息的变形和扭曲。激光雷达扫描系统的高信息量、高精度、便捷、安全和易操作等性能,为古地震研究开辟了获取数据信息的新手段和新技术。     

一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物的方法

本文建立了一种基于卫星遥感AOT估算近地面颗粒物浓度的新方法.该方法考虑大气边界层厚度和近地面相对湿度的区域分布变化情况,基于大气边界层模式模拟结果和卫星遥感气溶胶光学厚度进行近地面颗粒物浓度估算.基于RAMS模拟结果和MODIS气溶胶光学厚度数据,利用该方法获得了华北地区近地面PM2.5质量浓度.并用研究区域中16个地面站点的颗粒物浓度监测数据对估算结果进行了评估.结果表明,遥感反演的近地面PM2.5与地面监测数据在趋势上基本一致,二者相关R2达到0.61.与此同时,又利用地面激光雷达和气象仪测量结果对MODIS气溶胶光学厚度数据进行了近地面颗粒物估算,并将估算的结果与新方法得到的估算结果进行了比较.比较结果表明,新方法获得的估算结果与地面监测数据具有更好的相关性,和常规方法相比,相关R2从0.32提高到0.62.