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激光雷達(dá)技術(shù)是3D點(diǎn)云的代名詞，為了充分利用3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，我們有必要考慮Lidar技術(shù)的最新趨勢以及如何使數(shù)據(jù)讓用戶受益，本文探討了最新的發(fā)展。

在空間工業(yè)中，有四個(gè)流行的lidar平臺可用于生成點(diǎn)云：

1）機(jī)載激光雷達(dá)，它使用有人飛機(jī)和無人機(jī)（UAV或“無人機(jī)”）從空中采集數(shù)據(jù)；

2）移動(dòng)激光雷達(dá)，安裝在包括公路、鐵路和陸運(yùn)的移動(dòng)車輛、船只；

3）通常使用三腳架從靜態(tài)平臺上捕獲的地面激光雷達(dá)；

4）使用SLAM技術(shù)的手持式短程激光雷達(dá)。

每個(gè)平臺在生成激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云中都發(fā)揮著重要作用，并且每個(gè)平臺都提供了獨(dú)特視角。

01  機(jī)載激光雷達(dá)

近期，機(jī)載激光雷達(dá)的最大作用是在3D點(diǎn)云的處理和成果交付中。無人機(jī)的輕量級傳感器以及無人機(jī)的自主性也得到了發(fā)展。在基于云的處理和存儲自動(dòng)化方面也取得了較大進(jìn)展，從而大大縮短了成果交付時(shí)間。

整個(gè)市場上，lidar設(shè)備的最大點(diǎn)頻已穩(wěn)定下來，隨著客戶對lidar相關(guān)知識的提高，人們正在考慮獲取盡可能多的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)，以求更有價(jià)值的服務(wù)。



發(fā)展趨勢一：基于云的數(shù)據(jù)處理

設(shè)備趨同的時(shí)候，機(jī)載激光雷達(dá)的最大變化是數(shù)據(jù)處理方面?，F(xiàn)在，使用完全基于云的體系結(jié)構(gòu)，還包括在云中的手動(dòng)編輯和進(jìn)行質(zhì)量保證（QA），可以實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化和更高的效率。這種基于云的方法大大縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間，并提高了作業(yè)現(xiàn)場和辦公室之間的通用性。飛機(jī)降落在停機(jī)坪上后，可以立即上傳項(xiàng)目數(shù)據(jù)，甚至后處理的數(shù)據(jù)也可以在云中交付。與所有基于云的解決方案一樣，大多數(shù)項(xiàng)目當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是帶寬，因?yàn)樾枰銐虻木W(wǎng)絡(luò)速度來實(shí)現(xiàn)。

機(jī)載激光雷達(dá)是支持創(chuàng)建高質(zhì)量數(shù)字高程模型（DEM）的基礎(chǔ)，用以支持?jǐn)?shù)字孿生并導(dǎo)出高質(zhì)量的、最新的建筑模型。

發(fā)展趨勢二：數(shù)字孿生

專注于城市地區(qū)和數(shù)字孿生，這意味著對全波形激光雷達(dá)的需求減少。大量的數(shù)據(jù)以及不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)管理需求加速了向基于云的存儲和流傳輸以及日益高效的數(shù)據(jù)壓縮格式的過渡。在云中處理和存儲大量數(shù)據(jù)的成本可能會加起來，并且在僅獲取所需內(nèi)容方面變得越來越智能。

近年來，客戶與供應(yīng)商之間的通信有了更強(qiáng)的推動(dòng)力?？蛻粢筇峁┯嘘P(guān)數(shù)據(jù)處理方案的更多信息，包括其質(zhì)量保證和編輯方法。

02  移動(dòng)激光雷達(dá)

在過去的幾年中，Mobile Lidar取得了長足的進(jìn)步。移動(dòng)激光雷達(dá)捕獲不再需要專家精心組裝的大量電纜和配件?，F(xiàn)在，所有測繪級傳感器（例如Velodyne和Ouster的傳感器以及RIEGL、Trimble和Leica的測量級平臺）都更容易攜帶，即插即用。從寬的垂直視場或更長的測量范圍到多脈沖或更高的精度，每種傳感器都有其自身的優(yōu)勢。



在移動(dòng)激光雷達(dá)中，點(diǎn)密度有所增加，尤其是在使用雙掃描頭單次獲取數(shù)據(jù)時(shí)。RIEGL VMX-2HA，Trimble MX9，Teledyne HS600和Leica Pegasus Two：Ultimate等系統(tǒng)都能夠每秒測量200萬個(gè)點(diǎn)。

在雙頭系統(tǒng)中同時(shí)使用兩個(gè)掃描儀的好處是，可以從較少的道路通行或鐵路走廊內(nèi)捕獲更多細(xì)節(jié)。這也意味著減少了數(shù)據(jù)遮擋，并且由于獲取了多個(gè)角度的掃描數(shù)據(jù)而提高了地物清晰度。

發(fā)展趨勢一：挑戰(zhàn)點(diǎn)密度

移動(dòng)激光雷達(dá)產(chǎn)生的點(diǎn)密度一直在挑戰(zhàn)IT基礎(chǔ)架構(gòu)。例如，即使應(yīng)用點(diǎn)云和圖像壓縮，一個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)捕獲也可以生成大約200GB的原始數(shù)據(jù)。一個(gè)典型的項(xiàng)目可以由8個(gè)12MP攝像機(jī)在一小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生100GB的空間，這些攝像機(jī)以3m的間隔記錄圖像，兩個(gè)Lidar傳感器以每秒一百萬個(gè)點(diǎn)的速度同時(shí)運(yùn)行。生成的龐大數(shù)據(jù)成為傳輸速度和GPU之間的阻礙。

移動(dòng)激光雷達(dá)的最新進(jìn)展之一是將精確校準(zhǔn)的高分辨率圖像集成到點(diǎn)云。最新的系統(tǒng)具有一系列攝像機(jī)，這些攝像機(jī)結(jié)合了球形攝像機(jī)和定向攝像機(jī)。這種高度詳細(xì)且校準(zhǔn)的圖像可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的RGB彩色點(diǎn)云，從而改善了可視化和分析能力。

發(fā)展趨勢二：機(jī)器學(xué)習(xí)，減少人工干預(yù)

近年來，利用卡爾曼濾波和基于圖像的云到云配準(zhǔn)技術(shù)的改進(jìn)，改進(jìn)了軌跡處理，簡化了移動(dòng)激光雷達(dá)點(diǎn)云的處理。這意味著已經(jīng)減少了許多手動(dòng)點(diǎn)云對準(zhǔn)和對地面控制的配準(zhǔn)，從而加快了總體處理速度。數(shù)據(jù)處理方面的改進(jìn)意味著客戶能夠更快地開始處理準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

機(jī)器學(xué)習(xí)特征提取在從機(jī)載和移動(dòng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)中提取價(jià)值方面發(fā)揮著重要作用。在機(jī)器學(xué)習(xí)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，仍然需要更多典型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，以適合每種應(yīng)用，機(jī)器和數(shù)據(jù)科學(xué)家可以使用這些訓(xùn)練數(shù)據(jù)集來優(yōu)化算法。標(biāo)識點(diǎn)云內(nèi)對象的帶標(biāo)簽的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集變得越來越有價(jià)值。

03  地面激光雷達(dá)

大約15年前，在所有硬件和軟件正常工作的情況下，使用Leica HDS3000可以實(shí)現(xiàn)每天三次掃描。掃描儀的重量為16公斤，電池的大小相當(dāng)于公文包的大小，可以通過筆記本電腦進(jìn)行控制。

在地面激光雷達(dá)中，硬件得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，最新一代的掃描儀每天可以完成200多次掃描?，F(xiàn)在，測繪人面臨的挑戰(zhàn)已經(jīng)變成如何更有效地處理所有數(shù)據(jù)。



現(xiàn)在的設(shè)備一天之內(nèi)可以完成的掃描次數(shù)越來越多，雖然自動(dòng)點(diǎn)云對齊算法在幾年前就有解決方案。但是，運(yùn)行該過程需要大量時(shí)間，并且需要嚴(yán)格的質(zhì)量檢查以確保原始數(shù)據(jù)正確無誤。現(xiàn)實(shí)情況是在通過玻璃、漫長的無特征的走廊以及有大型移動(dòng)物體的數(shù)據(jù)，都可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)匹配失敗。

發(fā)展趨勢：即時(shí)數(shù)據(jù)處理

在“自動(dòng)化”成為未來代名詞的行業(yè)中，但令人驚訝的是，地面點(diǎn)云處理的最新發(fā)展尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如果軟件現(xiàn)在具有在采集數(shù)據(jù)時(shí)在野外對準(zhǔn)處理點(diǎn)云的能力，就克服了手動(dòng)配準(zhǔn)處理的缺點(diǎn)，可以讓操作員在結(jié)束之前目視檢查對準(zhǔn)。

盡管基于平板電腦的對齊方式會占用掃描采集時(shí)間，但點(diǎn)云和HDR成像時(shí)間的改進(jìn)很容易抵消了這種延遲。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的其他好處包括：

◆  操作員可以在平板設(shè)備上實(shí)時(shí)向客戶顯示對齊的數(shù)據(jù)，從而使他們更加欣賞和參與正在進(jìn)行的工作。

◆  虛擬平面圖顯示了現(xiàn)場的掃描位置和空隙，避免了潛在的返工。

◆  該字段中的其他處理無需顯示掃描位置的詳細(xì)字段注釋。

◆  如果由于設(shè)置之間的重疊不足而導(dǎo)致應(yīng)用程序無法對齊相鄰掃描，用戶會收到提示。

即時(shí)數(shù)據(jù)處理仍需要有強(qiáng)大的調(diào)查控制和嚴(yán)格的數(shù)據(jù)質(zhì)量保證流程。數(shù)據(jù)完整性始終需要傳統(tǒng)測繪技術(shù)的支持。

04  SLAM手持式短程激光雷達(dá)

激光雷達(dá)的第四個(gè)也是最后一個(gè)常用的商業(yè)平臺是使用即時(shí)定位和地圖繪制（SLAM）技術(shù)的手持式/背包式短距離激光雷達(dá)。SLAM使激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)⒆陨矶ㄎ辉谄洵h(huán)境中-通常是無GNSS的空間。隨著SLAM算法的改進(jìn)，手持式激光雷達(dá)已成為一種常見的商業(yè)解決方案。


在商用手持設(shè)備之前，地面激光雷達(dá)是室內(nèi)激光雷達(dá)的唯一通用解決方案。這些解決方案的優(yōu)勢在于它們的速度，多功能性和易用性。在應(yīng)用程序可以容忍較低精度的地方，它們在數(shù)據(jù)采集、處理和交付時(shí)間的速度方面獲得了明顯的優(yōu)勢。

發(fā)展趨勢：結(jié)合無人機(jī)自主性

將SLAM技術(shù)與自主性較強(qiáng)的無人機(jī)相結(jié)合，可為采礦和復(fù)雜的封閉場所提供強(qiáng)大的室內(nèi)制圖解決方案。使用無人機(jī)避障功能，使無人機(jī)能夠超視距飛行，并且激光雷達(dá)數(shù)據(jù)會實(shí)時(shí)回傳給操作員。

在未來幾年中，預(yù)計(jì)將有更多基于SLAM的手持式激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)入市場。

結(jié)論

近年來，行業(yè)一直非常關(guān)注如何提高向用戶交付激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的速度。還在考慮諸如從現(xiàn)場將數(shù)據(jù)上傳到云，掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)對齊處理，產(chǎn)品自動(dòng)化以及通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交付等方法，最終讓用戶可以更快地接收數(shù)據(jù)。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們對利用一系列集成的激光雷達(dá)技術(shù)完全覆蓋建筑物和資產(chǎn)的興趣日益濃厚。近期的發(fā)展也提高了Lidar在許多平臺上的多功能性，讓我們比以往任何時(shí)候都更容易提供基于Lidar的完整點(diǎn)云解決方案。