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激光雷达技术在哪些领域有广泛应用?

发布时间:2021-01-22 点击次数:1709
目前,激光雷达以其优良的技术性能,已经发展成既可“上九天”拍摄月球三维图像,又可“下五洋”进行水下探测和建模的探测雷达。其典型应用包括:
 
⒈ 调查监测方面的应用
 
⑴林业调查:环境监控、森林土地管理、生物研究都需要及时地掌握森林植被信息。传统技术无法获取树高与森林密度值,激光雷达可以通过记录完整回波波形(大光斑:10m到100m) 反演出森林的垂直结构与生物量;或是记录少量的离散回波(小光斑:0.1m到1m),利用高密度的激光点云数据,进行单木高度估测。
 
⑵水域监测:激光雷达已被用于海水深度测量和海浪波高观测,以及对水中所含浮游生物、透明度、盐度、水温和油污染等数据进行测量。同时,激光雷达对于河流、湖泊的水量监控和水患治理也有重要的作用,利用激光雷达产生的三角网高程三维模型,可直观显示洪水的覆盖范围,测算出水位淹没区域面积和水体体积,预测危害程度,采取有效措施进行救援。通过对比激光点云数据还可以监测海岸侵蚀情况。
 
⑶大气检测:激光雷达作为一种的大气和气象环境监测仪器,已经在大气探测和气象监测中广泛应用于大气温度、湿度、风速、能见度、云层高度、城市上空污染物浓度等测量。激光雷达具有更高的时空分辨率,激光波长为微米量级时,可以实现对微粒目标探测,能够对大气的垂直结构和成分构成进行有效分析。通过对相应波段激光在大气气溶胶粒子、分子和原子中发生米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、荧光散射以及共振色散等效应的数据进行反演,可以对大气污染、大气边界层、空气分子分析等方面的深入研究提供可靠的数据依据。此外,激光雷达利用激光的多普勒效应,可以测量激光在大气传播中产生的多普勒频移,能够反演和预测空间风速分布信息。
 
⒉ 建模与测绘方面的应用
 
⑴地质测绘:激光雷达测量精度要优于传统测量方法,所提供的地面点云数据,可详细反映出所测地物的立体形态,实现三维建模,满足高精度影像微分纠正的需要。同时,激光雷达真正实现了非接触式测量,减少了野外作业量,摆脱了数字摄影测量平台的限制,降低了地质测绘成本。
 
⑵数字城市建模:激光雷达在城市场景中更能体现其数据采集密度大、分辨率高、不受阴影遮挡限制的优势。激光雷达数字地面模型DEM与GIS系统结合起来,可以将2D的数字城市“升级”为3D数字城市,更直观和真实地还原城市场景。因此,激光雷达被广泛应用于数字城市的三维建模、大型建筑物采样等大比例尺地物数据获取。利用点云数据对城市三维建模,可以进一步应用于道路、水电管网的立体化规划,以及通过软件对城市噪音分布、风场流向、热岛效应进行详细分析,以及城市灾害分析和抢险救灾指挥。
 
⑶水下探测及三维成像:水下激光雷达是激光雷达的一种,它主要利用蓝、绿激光在海水中衰减小、穿透性好的特性,利用激光对淹没在水中的目标进行搜索、跟踪、控制、通信、定位、识别和分类。与陆地应用相同,将水下激光雷达与GPS定位系统()和惯性导航系统(INS)综合运用,可以测量水下目标的三维信息,构建目标的三维模型。激光雷达不仅可以对海底地貌、岛礁周边海域测绘建模,在水下工程设计、施工、维护中也发挥着十分重要的作用。
 
⑷文物古迹数字化:目前,国内外部分文物保护单位为完善文物古迹的研究、修缮、传播手段,开始应用激光雷达采集文物古迹的三维数据,建立相关数据库,辅以计算机技术,实现珍贵文物的三维虚拟再现。与实物文物的*性不同,数字文物可以无限共享,更具传播意义。高精度的文物三维信息也使文物的修复和仿制工作变得更加容易。
⒊ 探测与测量方面的应用
 
⑴带状工程探测:将激光雷达技术已经越来越广泛地应用于电力、石油管网、公路、铁路等大型工程测量中。工程初期,通过激光雷达对整个施工带域内的地势走向和植被分布进行探测,得到三维数据。不但便于宏观立体式的规划设计,还可以对施工土方的面积、体积和砍伐树木的木材量估算,合理制定施工计划、调配施工资源。尤其,在地形繁杂、地域跨度大,施工地区生活保障条件差、危险程度高等不适宜人工作业的情况下,更适宜使用激光雷达进行测量和分析。例如: 尼日尔某原油管道施工工作中,沿线城镇少,可用交通资源不足,工程地域疾病频发,常有反政府武装袭击,为解决工程前期勘测难题,就采用了机载激光雷达进行勘测。
 
激光雷达可以实时、地掌握目标地域的宏观场景和细节变化,也被应用在线路和管网巡检和维护中,利用高精度三维点云数据,分析查找细微变化,预先找到潜在事故点,方便了维护管理和应急抢修。在工程抢修中应用激光雷达对施工精度进行监测,能够实时、、直观地反映现场情况,提高了施工安全性和工程作业效率。
 
⑵航天工程中的应用:激光雷达以其质量轻、体积小、精度高的特点,为各国航天部门所关注,大力进行研发,在人类探索地外空间的进程中发挥了巨大作用。中国的嫦娥探月工程中就使用激光雷达对月球表面进行三维“扫描”,得到了月面的三维立体信息,为进一步探索月球做好了前期数据准备工作。
 
⑶自动导航、障碍规避:激光雷达可以快速地获取环境的深度信息,抗干扰能力强,而且受环境变化的影响小,通过激光定向或全向扫描,能够采集的有效信息。基于激光雷达探测数据,应用聚类-拟合等相关算法识别目标特征,完成对道路的提取、障碍感知和临近目标的检测。激光雷达因分辨率高、成本低的优点,近年来在障碍物判断、路面识别、定位及导航等诸多方面得到广泛应用。2010年,谷歌推出无人驾驶系统,在公路实测的22.5万公里中,从未有过失控或造成人畜伤害的事故发生。
 
⒋医学方面的应用
 
激光雷达以其三维测量定位和生物特性识别能力,已经在部分医学领域得到应用。美国橡树岭国家实验室( 简称ORNL)为减轻烧伤病人治疗中的痛苦,将激光治疗技术与激光雷达相结合,利用激光雷达进行三维定位探测,分析烧伤组织的损害程度,从而引导激光自动消除坏死的人体组织,利于新生细胞组织生长。同时,激光雷达也在五官整形、假肢设计以及人体生物特征监测等方面得到应用和研究。
 
⒌*事方面的应用
 
激光雷达具有很多的优点,其在民用领域的实际应用,很多都可以直接或间接用于*事用途。例如,激光雷达可以用于靶场测量、战场侦察、军用目标识别、火力控制、水下探测、局部风场测量等。而当基础材料、辐射材料、快速跟踪定位和成像技术等方面研究取得重大突破后,也必将首先应用于*事。

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