LiDAR数据应用综述

前言


本文我们结合Terrasolid产品,以及丰富的样例图片,对LiDAR数据的应用领域作一个综述性的介绍,内容比较多,主要是作个知识普及,欢迎感兴趣的小伙伴阅读和了解。

利用LiDAR数据的应用领域,与影像相结合,在过去几年中经历了快速增长。Terrasolid的软件产品可用于任何这些应用领域,因为它们既不固定于特定应用,也不固定于某些激光扫描或相机系统。该软件可以处理来自机载和移动系统的数据,甚至来自静态地面扫描仪的数据也可以在有限的范围内进行处理。由于Terrasolid软件系列的多个产品涵盖了从校准和匹配原始数据到创建最终3D矢量模型,正射影像,地形建模等的整个生产周期,因此该软件在不同应用领域具有高度灵活性。

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TerraSolid产品体系


在介绍具体的应用之前,我们先简单介绍一下Terrasolid软件的产品体系。Terrasolid公司专注于开发用于处理机载和移动LiDAR数据和图像的软件产品。Terrasolid应用程序为测量员,土木工程师,设计师,规划人员……提供了多功能且功能强大的工具——适用于需要处理和利用3D LiDAR数据和图像的每个人。

Terrasolid提供完整和轻量级的软件产品,可以根据您的特定工作要求进行组合。此外,Terrasolid的无人机版本捆绑专用于仅处理无人机(UAV)收集的数据的客户。具体请参考下图:

terrasolid产品体系.jpg

数字高程模型


数字高程模型(DEM)通常用作数字表面模型(DSM)和数字地形模型(DTM)的通用术语。在大多数情况下,数字地形模型代表裸露的地面,没有任何物体,如建筑物和植物。另一方面,数字表面模型代表地球表面并包括其上的所有物体。它们都可用于多种应用:提取地球表面的形状和高度差异,模拟水流或大规模运动(滑坡或雪崩),工程和基础设施设计,地貌和自然地理,重力测量,可视化传统地图中的地球表面,3D地图和模型,3D飞行计划和飞行模拟,视线分析,噪声建模,信号强度建模,精确农业和林业,洪水分析,智能交通系统(ITS)和高级驾驶员辅助系统(ADAS),等等。

激光扫描是一种快速,准确且经济有效的方法,用于收集用于创建DEM的数据。在测量大区域时,飞机或直升机甚至无人驾驶飞行器(UAV)的机载激光雷达通常是最好的方法。对于公路,铁路和其他走廊式结构,安装在汽车、火车或其他车辆上的移动式激光雷达系统可以从最近的周围提供更详细的点云,而使用机载系统的直升机飞行可以更快地为更宽的走廊提供数据获取办法。

激光扫描提供精确的3D点云,由TerraScan分类为地面和非地面点。 TerraModeler从分类的地面点创建DTM,并提供各种工具来可视化和编辑模型。建筑物和其他对象可以从激光点分类并添加到模型中以创建DSM。

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DSM
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DTM

等高线生产


等高线是在地图上描绘高程差异的传统且熟悉的方式。 LiDAR产生一个点云,代表地面和上面的物体。使用TerraScan分类的点可用作TerraModeler中等高线创建的基础。 Terrasolid软件区分两种类型的等高线。一种是,数学上的等高线非常精确地跟随激光点的高度,但对于绘图目的不是非常有用。另一种,制图等高线,它们光滑,美观但准确性稍微低一点。

TerraModeler提供可调节选项,用于设置等距离、平滑和其他等高线绘制规范参数以及标注、刻度、山顶点和低洼地的显示设置。快速显示生成的等高线是查看和检查地形模型的便捷工具。然而,TerraModeler还提供了针对大面积区域批处理中生成等高线的选项,例如基于TerraScan项目结构。这些线在MicroStation设计文件中生成,这些文件可以在CAD环境中使用,也可以导出到GIS中,以便进一步集成到地图中。

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数学与制图等高线

体积计算


建筑物,道路,土方工程和采矿的规划和建设需要有关土壤的体积信息。激光扫描是一种快速,准确且经济有效的方法,用于收集地面形状的地理参考3D信息。可以通过从飞机或直升机或甚至从无人驾驶飞行器(UAV)扫描,或通过站在三脚架上的静态地面扫描仪来获取LiDAR数据。

激光扫描提供了3D点云,由TerraScan分类为地面和非地面点,接着地面点可用于TerraModeler创建地球表面3D模型的输入。 TerraModeler提供了基于3D模型计算体积的工具。通过比较在不同时间点捕获的表面模型,可以监测和记录土壤的侵蚀和堆积(切割和填充)状况。

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计划挖掘的数量计算

公路和道路测量


安装在汽车上的移动式LiDAR扫描仪或在直升机上操作的机载扫描仪可以提供密集的点云,可以非常准确地描绘高速公路,以及其周围环境和路面情况。使用同时拍摄的照片和使用GPS测量的控制点可提高准确度,并有助于补偿由高层建筑物和树木引起的GPS信号间隙。

TerraMatch用于校正扫描轨迹在某些位置的漂移,以及GPS信号的故障引起的轨迹精度。为了获得准确的结果,可以测量大量的控制点。

路面的3D点云和道路环境支持与道路状况相关的监控任务。这可能包括:

  • 路面损坏,如车辙,裂缝,坑洼等
  • 道路横断面参数的计算
  • 表面超高
  • 路面上的水流
  • 油漆标记的形状和状况
  • 检测较长的凹陷
  • 生成道路设计任务的道路对齐几何
  • 与停止和超越距离的规定有关的视线分析
  • 桥梁,架空电线和隧道下的间隙区域
  • 沿路危险物体检测
  • 检测道路设施物体,如交通标志,电线杆,公交车站,防撞栏,隔音墙等。
road_surface_damage.png
路面损坏
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道路视线分析
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路面水流分析
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道路边坡,道路与设计界面
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道路净空

铁路和电车测量


移动式LiDAR传感器可以安装在铁路发动机、有轨车或有轨电车上的传感器平台快速获取铁路或有轨电车基础设施上的地理参考3D空间数据,由此产生的点云满足高精度要求,并提供轨道,架空电线,平台,桥梁,隧道屋顶和其他周围结构的详细和准确的空间信息。使用Terrasolid软件进行匹配和分类,点云本身或矢量化对象可用于工程,维护,规划和构建的许多任务中。

从铁路环境的点云衍生的信息可以包括:

  • 导轨和架空电线的位置
  • 为设计任务推导铁路对齐几何
  • 视线分析
  • 在指定的净空断面内检测物体
  • 沿铁路发现危险物体
  • 检测铁路附属设施,如枕木,开关,标志,电线杆,塔架,隔音墙等。
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电车轨道和电线检测
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一条铁路的RGB着色点云
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净空
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潜在的危险对象探测

电力线管理


LiDAR是绘制现有输电线和周围地形特征、植被、建筑物和其他结构的有效方法。

电力线走廊通常位于不易进入的区域,因此走廊可能难以勘测。从低空机载平台操作的LiDAR系统即使在最崎岖的地形上也可以快速,经济地进入和测量,并且不会使人处于危险之中。它提供沿电力线走廊的电线,结构,植被和地面的准确位置信息。

Terrasolid软件提供匹配飞行航线的工具,对激光点进行分类,根据分类点对地面进行建模,以及对导线,附件和塔进行矢量化。矢量数据可以集成到专业软件中,因此可用于执行热容量研究,分析重建/重新调整项目,以及生成竣工记录。

可以通过TerraScan分类程序从激光点云中检测电力线走廊中和附近的植被或其他物体。有关所谓“危险物体”的信息可用于监控电力线周围的安全间隙区域。因此,通过显示危险物体位置的地图,可以将团队送入现场以移除例如植被,以防止在风暴期间或在森林火灾期间落入电线或导致电力线损坏。

使用TerraModeler,您可以从走廊的激光点云中获取地面的表面模型,并观察易受侵蚀的斜坡并确定对电力线的影响。利用TerraScan从LiDAR数据中获得的精确的线对地信息,可以引导重型机械的操作员通过接触高压线而不会导致电线或危险。

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电力线矢量化
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危险物体检测
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标注危险物体
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电力线与道路净空

管道走廊规划与维护


在规划天然气和石油管道的路线时,地面的形状,附近的建筑物和其他结构,人口以及对环境的影响是必须考虑的一些事项。 LiDAR提供了一种快速收集信息的方法,用于获取计划管道的走廊的完整图像,以及监测和维护现有管道走廊。

机载激光扫描是一种经济有效的方法,用于生成管道区域的地理参考3D点云。使用TerraScan,点云可以过滤到地面上的点,植被和建筑点,TerraModeler可以创建它们的数字3D地形模型(DTM)。DTM可用于估计地面形状如何影响管道的构造。结合在同一测量活动中拍摄的图像,激光数据可用作数字化地形特征和创建用于制图任务的3D矢量数据的基础。TerraPhoto可以创建高质量的正射照片,而TerraScan提供了多种支持数字化任务的工具。

隧道扫描


地下条件不是最适合进行测量的:它可能是黑暗,潮湿和多尘。在主动施工期间不能进行测量,但另一方面,工作不能长时间停止进行测量。然而,在构建新的地下空间或维护旧的地下空间时,有许多应用需要准确的隧道精确尺寸信息:必须监测喷涂在岩石表面的水泥表面层的厚度,需要评估结构的不连续性并记录,岩体和表面分析,变形和渗漏必须密切关注,并且需要监测施工质量。

地面静态或移动激光扫描为这些任务提供最快,最安全和最准确的数据收集方式。 LiDAR不需要外部光线,设备足够坚固,可以应对地下条件。静态扫描仪是便携式的,移动扫描仪可以安装在汽车或火车或其他车辆上。它们可以高速生成密集的3D点云。即使在相当长的GPS停机期间,现代定位系统也能提供准确可靠的定位。可以使用移动扫描仪对铁路或高速公路隧道进行测量,而不会中断交通流量或在交通中间将人员置于危险之中。

激光扫描产生密集的3D点云,描绘隧道墙的表面以及隧道内的所有物体。大多数扫描仪还为每个点提供强度信息,从而提供地质结构和墙壁表面材料的信息。另外,在TerraMatch中,强度信息可以与亮的控制信号结合使用,用于移动扫描线匹配目的。通过同时拍摄基于视觉光的相机图像,可以收集更多数据。

森林调查


森林的机载LiDAR点云可用于估计森林的特征,例如树木的平均高度,树冠密度,生物量,林分体积和植被覆盖度。采用具有较小的激光束的扫描系统和完整的波形功能,以及可能用于生成支持数据的附加传感器(例如真彩色或红外图像),可以确定更多的信息,如高度,树冠直径,和物种。

衍生数据可用于监测森林生长,风暴或火灾造成的损害,树木采伐以及估计采伐时树木的财务价值。具体信息支持森林管理,以提高木材质量,减少浪费,增加利润和保持环境质量。有关森林树冠密度和生物量的信息进一步有助于估算森林火灾蔓延,从而支持消防员的工作和疏散任务。

从点云中的地面点导出的正确地形模型是上述大多数应用的基础。TerraScan可以利用全波形信息来过滤掉地面,例如通过提取初始点云不提供地面点的区域中的附加点,或者利用返回的特征来改善自动地面分类结果。

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树高
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森林断面

3D城市模型


3D城市模型有许多应用:城市规划,建筑,市政资产管理,安全和防御,紧急疏散计划,事故和灾难风险评估,定位服务,信息服务,虚拟现实,商业视觉效果和广告,电信,可视化,飞越动画,等等。

使用Terrasolid应用程序,您可以使用机载激光数据和图像(可选)自动生成建筑物的3D模型。即使从平方米上小于2点的点云也可以创建近似的细节模型,但点云越密集,3D模型就越准确和详细。通过从航空器(飞机或直升机)和地面车辆扫描区域,使点云彼此匹配,将获得完整的结果。

使用Terrasolid软件的工具,您可以创建一个完整的城市模型,包括地形模型,矢量化建筑物和可能的其他物体,树木,覆盖在地形上的图像或用作墙壁和屋顶的纹理。通过数据,您可以轻松快速地创建渲染视图或飞越电影,以便灵活地呈现数据。如果您有一个高密度点云存储每个点的真彩色值,这甚至可以用于可视化,以便获得完整的城市表示或简单的分析任务。

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3D城市模型(来自ALS数据)
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屋顶结构分析
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RGB着色点云(来自MLS数据)

噪声传播分析


环境噪声是影响一个地区所有居民的一种污染形式。最关键的是机场,铁路,高速公路,主要道路交叉口,工业区,海港和类似地点。2002年,欧盟建立了环境噪声法案,以确定噪声污染水平并采取措施降低噪音。实施噪声法案的一个步骤是创建和发布噪声地图。计算噪声的传播并因此确定特定区域中的噪声水平的扩展需要数字地形模型(DTM)以及影响噪声传播的对象模型。

机载激光扫描是收集大面积3D数据的最快且最具成本效益的方法。激光扫描创建一个点云,描绘地面及其上的所有物体。可以使用TerraScan提取地面点,从中创建DTM。非地面点被进一步过滤到植被,建筑物,桥梁和其他结构中。 TerraScan还提供用于大面积自动创建3D建筑模型(LOD2 – 具有屋顶形状的简单模型)的工具。在自动结果并不令人满意的地方,有一些高级工具可以提高建筑矢量模型的质量。

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DTM,建筑模型和树的位置

变化检测和损害评估


LiDAR适用于测量多种物体,同样适用于检测自然或人为变化。将在不同时间点扫描的点云相互比较以发现它们之间的显着差异。

机载激光扫描是最快且可能是唯一的测量方法,能够收集遭受自然灾害或其他灾害的区域的3D数据,从而为事故发生后不久的损伤分析提供依据。

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洪水分析


新的欧盟洪水指令要求在2015年之前,如果海平面上升,河流泛滥或大雨暴雨,所有成员国都要绘制有洪水风险的区域。该指令指示各国制定洪水风险图并采取适当措施降低人身安全、环境、基础设施和财产遭受洪水破坏的风险。这需要这些区域的准确的高程模型,以确定在不同水位哪些区域容易发生洪水。机载激光雷达是从大区域捕获数据并生成精确地形模型的方法。安装在船上的移动扫描系统也已经过测试,用于扫描河岸和附近区域。

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分辨率为2米的DTM

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