飞行中的“眼”——机载激光雷达
机载激光雷达
从20世纪60年代激光雷达技术开始发展，机载激光雷达技术就逐渐作为一种重要的航空遥感技术不断发展，并为广大学者、研究人员、激光雷达供应商等所关注。现今机载激光雷达虽然无法完全取代传统的测量作业方式，但可以预测，在未来的航空遥感领域，机载激光雷达将成为主流之一。20世纪90年代，机载激光雷达系统开始逐步进军实用化阶段，成为激光雷达作为遥感设备发展的重要方向之一。进入21世纪后，人们对于高端技术需求越来越高，对于新兴技术关注程度也是越来越高。机载激光雷达逐渐被应用于各行各业，同时许多厂商也逐渐嗅到了其中的商机，开始加大对机载激光雷达的投资。目前，机载激光雷达在城乡规划、建筑测绘、地形测绘、安防监控巡检、环保检测、农林检测、防灾减灾等多领域均有其身影。
机载雷达的应用现状
机载雷达以其高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，已成为世界各国进行大面积数值地表数据测制的重要主流与趋势，其多重反射的特性，可同时获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标，而透水激光雷达系统更可穿透水体而量测水底的地形起伏。其获取的高精度高分辨率DEM，可作为土地利用、工程建设规划、都市计划管理，河海地形、潮间带、集水区、山坡检测，地理信息系统、防灾、矿业、农业、林业、公共管理线等方面数值化、自动化等应用基础。
1.智慧城市
在数字化程度越来越高的今天，二维城市系统已经不能满足新时代的需求，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。雷达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。机载激光雷达在智慧城市中扮演着重要角色，其在智慧交通、地形测绘、智能城市规划等多方面都发挥着不同寻常的作用。如今，国内各大城市逐渐布局智慧城市、数字城市，其中机载激光雷达在其中获取数据资料、扫描城市现状起到很大的作用。
图1：激光雷达获取三维数字城市建模
2.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。
图2：激光雷达地形测绘所得DEM
3.电力设计勘测选线和线路监测应用。
随着输电线电压等级的不断提高，输电线路巡线作业的安全、稳定、高效运行越来越重要。输电线路跨区域分布，点多面广，所处地形复杂，输电线路设备长期暴露在野外，受到持续的机械张力、雷击闪络、材料老化、覆冰及人为因素的影响，会产生断股、磨损、腐蚀等现象，必须及时得到修复或更换。
传统的人工巡线方法不仅工作量大而且条件艰苦，特别是对山区和跨越大江大河的输电线路的巡查，所花时间长、人力成本高、困难大，某些线路区域和某些巡检项目人工巡查方法目前还难以完成。
基于机载激光雷达技术获取电力线走廊环境的全方位的三维可视化地理信息数据，可快速提取电力线与沿线植被在纵横方向上的间距，快速清查安全隐患点。同时进行电力线路设计时，通过雷达数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。
图3：激光雷达在电力线走廊应用
4.灾害监测与环境监测
利用机载激光雷达产生的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。
2017年5月，日本政府部署了激光雷达测绘系统来评估2016年熊本地震造成的灾后损失。所获得的数据用于制定战略，以便在发生这种紧急情况时有效地提供和分配救济资源。测绘系统中的激光雷达已广泛用于地震易发地区的地理标记和评估地震造成的山体滑坡的影响。
图4：激光雷达在自然灾害中的监测
5.海岸工程
传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。机载激光雷达是一种主动传感技术，能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。
6.林业应用
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，根据雷达数据，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。通过雷达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。
国家林业和草原局华东调查规划设计院成功地将机载激光雷达应用于安徽省的森林资源年度动态监测，利用激光雷达精确的测距能力获取森林蓄积量，同时将其应用于自主研发的安徽省森林资源“一张图”应用系统云臻森林平台，可以快速、精准获取森林覆盖率和森林蓄积量，实现森林资源年度出数。
近两年，广西壮族自治区林业局通过应用激光雷达等新技术进行过森林资源规划设计调查试点，外业人力和时间投入比传统方法减少80%-90%。华东院和广西的这两次实践意味着，采用激光雷达技术结合多源数据进行森林资源监测，不仅可以减少艰苦的森林资源野外调查工作，而且可以高效、快速、客观获取森林面积和森林蓄积量。
图5：激光雷达在林业监测中应用
7.文化遗产保护
大型的文物古迹和室外的不可以移动文物，需要测量其三维数据，以便进行修复和保护。对于出于恶劣测量环境下或不可直接触摸的文物，雷达技术就成为了一种直接获取三维数据的很好的解决方案。
图6：激光雷达在文化遗址保护应用
8.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，大多数情况下，从勘探开始到最终数据发送只需要几周的时间。在一些复杂的环境地区勘测，砍伐树木的费用要几千美元一公顷。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。
在2019年7月，巴西油气检测服务提供商Terra Drone Brazil为巴西国有能源公司Petrobas进行了广泛的空中激光雷达测绘。该激光雷达测绘确定了燃料储存设施的货物和压载舱的腐蚀、裂缝和表面焊接缺陷。这有助于Petrobas及时的维护和业务的连续性。
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。机载激光雷达就是飞行中的“眼睛”，它是自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，将对电网、水利、交通、规划、国土、矿山、海洋、气象、农业、林业、古迹保护等各个领域产生深远影响。
机载激光雷达市场
2018年，ASDReports发布的《2017-2021年全球机载激光雷达系统市场、分析和预测》市场情报研究报告，全球机载激光雷达系统市场预计在2021年底将达到15.5亿美元，2016-2021年期间，平均复合增长率为16.1%。在过去十年中，遥感技术发生了一次革命，因而增加了新的机载制图/绘图技术，如光探测和测距(激光雷达，LiDAR)。近年来，机载雷达因提供高效、高效费比遥感数据而获得牵引式发展。
2020年，根据global market Insights的研究，到2026年，全球激光雷达在测绘领域市场预计将超过40亿美元。
图7：机载激光雷达市场预测
根据在Yahoo Finance上提到的另一份预测报告，推动无人机激光雷达市场增长的关键因素包括放宽与在不同应用中使用商用无人机有关的法规，以及对用于走廊测绘和精确农业的激光雷达无人机的需求不断增长应用程序。但是，在预测期内，与不同国家使用无人机有关的法规也有望在一定程度上减缓该市场的增长。从2020年到2025年，亚太地区（LiPAC）的无人机市场预计将以最高的复合年增长率增长。亚太地区的机载激光雷达市场预计将在预测期内以最高复合年增长率增长。该地区市场的增长可以归因于基础设施数量的增加，机载激光雷达在测绘应用中的使用增加发展项目，政府对森林管理的重视以及该地区采矿活动的增加。此外，预计在该期间，与该地区使用无人机雷达有关的适度政府政策以及该地区低成本无人机激光雷达的容易获得，将推动亚太地区机载激光雷达市场的增长。
Ouster激光雷达
Ouster为近几年兴起的一家美国激光雷达生产商，其下有三个系列9款产品，分别为OS0-32、OS0-64、OS0-128、OS1-32、OS1-64、OS1-128、OS2-32、OS2-64、OS2-128。其激光雷达拥有质量轻，最小的445g，最重的不过930g；探测距离远，可达到200-300米；精度高，其激光雷达分辨率可达±5-10cm。Ouster激光雷达应用于无人机上非常合适。现今，ouster激光雷达已经运用到无人机上进行测绘、农林监测、野外动物监测等多方面领域。
图8：ouster激光雷达无人机运用
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