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激光遙感技術范文1
關鍵詞：遙感 機載激光雷達 實踐教學 課程設計
中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1674-2117（2014）18-00-02
1 前言
《激光遙感》是武漢大學遙感信息工程學院為適應遙感技術發展的最新需求，對原有《激光成像》課程進行改造而設置的一門專業必修課程。隨著相關技術的發展，激光遙感成為了遙感技術的重要方向。近些年越來越多的資源投入到激光雷達術的研究和實踐中，使之得到飛速發展。目前激光遙感技術已經運用到了近景、地面、車載、機載到星載的多種平臺上，提供了不同精度的多種產品，應用在諸多行業中。相應地，激光遙感數據處理也從科學研究少量試驗發展到了大規模生產實踐階段。面對這種變化趨勢，武漢大學遙感信息工程學院在2010年修訂的本科生培養方案中，設置了《激光遙感》課程，作為攝影測量方向本科生的專業必修課和遙感信息工程方向本科生的專業選修課[1]。這準確地反映了目前激光遙感技術的發展狀況和其在遙感技術中的地位。
2 加強激光遙感實踐課程的必要性
在激光遙感課程改造過程中，有必要提出并堅持面向應用的方針，這一方面是生產的需要，我國已經正在大力引進和推廣激光遙感技術，僅機載LiDAR設備就已經超過30臺，價值數億元，其他的地面及近景設備更是多達百余套。這些設備采集了大量的數據，處理這些數據需要專門的人才，對本科教育提出了要求[2]；另一方面是就業的需要，雖然隨著空間技術的應用，攝影測量與遙感專業的學生就業形勢較好，但是要看到，隨著開設相關專業課程學校的增加以及學生規模的擴大，就業壓力已經越來越大，有必要根據生產部門的需求，有針對性地培養學生專長，擴大就業機會；第三方面是科學研究的需要，目前激光遙感數據僅僅得到了初步的應用，如何提高數據處理效率，豐富數據產品類型以及拓展數據范圍等，是目前生產部門亟待解決的問題[3]。通過在本科階段設置相關課程，加大培養力度，有利于激發學生科研興趣，為將來投身相關科學研究打下了堅實基礎。在過去激光遙感屬于前沿技術，缺少必要的案例和數據，主要采取課堂講授的方式，通過教師的PPT和板書進行教學，學生的課堂實驗及課后實踐很少，缺少實踐環節，造成學生動手能力較差，同時對理論的理解也不夠深入，影響了用人單位的使用[4]。因此，隨著激光遙感技術從探索走向應用，對應的《激光遙感》課程也由選修設置為必修，其授課方式也應該從純理論講授發展為理論結合實踐的講授方式。
3 遙感實踐課程的原則及內容
3.1 遙感實踐課程的原則
激光遙感數據處理環節多，涉及的專業知識多，同時，由于仍處于不斷發展中，很多新處理方法和產品不斷涌現，成熟和固定的生產與數據處理方法和流程較少。在確定激光遙感課程實踐內容時需要把握如下原則：
（1）有利于全面掌握課程的知識點，實踐的內容應該貫穿整個課程的環節，加深和鞏固學生對理論的了解；
（2）有利于相關專業知識的融會貫通[5]。激光遙感是多種新技術的集成技術，應該通過實踐環節，使學生了解相關專業技術以及集成技術的重要性及作用；
（3）有利于激發學生的科學研究興趣[6]。應該通過實踐，激發學生探索未知的興趣，投身于對激光遙感技術科學研究中；
（4）有助于提高學生動手能力。激光遙感技術是一門工科技術，其落腳點應聚焦在提高學生的動手能力，為將來勝任行業部門打下基礎；
（5）有助于課程安排。課堂時間有限，過于復雜的實驗占用太多時間，不利于課堂組織，簡單的實驗不利于學生掌握相關知識。必須對各實驗部分精心設計，使之既相對獨立又有機聯系。
3.2遙感實踐課程的主要內容
激光遙感實踐環節的內容
激光遙感技術工程實踐環節較多，內容龐雜，主要有：
航線設計，需要全面掌握點云數據的參數，影像數據參數等；
數據預處理，包括誤差剔除，坐標轉換等；
輸入輸出，包括格式轉換，內插方法等；
基礎測繪產品生產，包括DEM、DLG的生產；
高級地理信息應用，包括數據分類、建筑物提取，三維建模以及空間信息系統研發等。
4 遙感實踐課程設計
4.1 框架
本文設計了激光遙感課程的實踐教學方案，框架圖如下。
激光遙感實踐框架
4.2 實踐教學方案
本文設計了激光遙感課程的實踐教學案例，下面針對框架進行詳細說明。
（1）為了使學生對LiDAR技術有感性的認識，設計了參觀的環節，以激發學生的興趣。選擇學院的硬件設備或者生產部門的生產現場，使學生通過參觀對LiDAR設備的組成、相關技術和行業應用有初步了解，在生產一線了解該技術目前的應用關鍵和難點。一方面激發學生投身生產的熱情，另一方面使學生了解科研與生產的方向。
（2）針對LAS格式的數據，要求學生編寫程序，能夠讀取數據到相應的數組中。主要使學生了解LiDAR數據種類，通過深入研究LAS數據格式，了解空間信息數據的特點和存儲難點；通過全面講解LAS格式版本的發展過程，了解LiDAR技術進步過程和數據不斷豐富的過程；通過程序編寫，熟練掌握空間數據讀取技術和節省數據存儲空間的技巧。
（3）對LiDAR數據進行三維顯示和基本空間分析操作。主要使用任課教師承擔科研項目時編寫的數據處理平臺，在使用前任課教師先講解科研項目的目的、意義、進展及展望，再對該平臺的基本功能，尤其是數據讀取部分進行詳細講解。一方面可以使學生看到上次課程自己編寫的數據讀取程序的規范性、速度和效率上存在的問題，另一方面可以使學生知道，科研項目并不神秘，而是從基礎的功能起步的；通過對點云的簡單空間操作和分析，使學生了解點云數據的粗差、斷面、建筑物和樹木腳點的空間分布特征、區別以及容易混淆的地方；通過對波形數據的讀取、顯示和分解，使學生了解LiDAR數據的新發展及其優點。
（4）要求學生編程實現LiDAR數據粗差的剔除。本次實踐具有一定的靈活性，學生可以自行編寫包含讀取、顯示、剔除粗差以及存儲的完整程序，也可以在教師提供的平臺上，以組件的形式完成剔除粗差的功能。關鍵是使學生理解基于高差的分類方法，基于統計原理的區分粗差的方法，熟悉一些基本的測量平差方法，不僅能夠復習和掌握前期學過的測繪的基本專業知識，還能初步掌握LiDAR數據處理的基本原理和DEM的基本生產方法。
（5）要求學生編程實現去除粗差后的LiDAR數據的規則化。主要使學生復習和掌握空間數據內插的主要方法，了解LiDAR數據采集的隨機性，知道其特點和不足，提高編程水平，同時對于DEM的生產方法也有更深入的掌握。
（6）實現LiDAR點云數據分類和輸出。這部分比較復雜，主要基于現有軟件，使學生掌握LiDAR數據分類的原理和生產部門處理的流程和工具，在不斷調試參數并觀察處理結果的過程中，琢磨和理解現有數據分類算法的原理和不足，明了目前LiDAR數據產品生產的關鍵和難點，為將來從事生產或科研打下基礎。
（7）撰寫實踐報告，要求學生將實踐過程和實踐結果進行展示和總結，提出自己的想法，可以提出新的原理或算法，也可以針對某一環節提出改進措施，自由發揮。教師根據學生的報告綜合、總結，在課堂上進行展示和點評，并給出成績。
5 結語
實踐教學不僅是理論課程的補充，而且具有驗證、綜合、創新等功能。加強實踐性教學，有助于學生全面理解理論知識，掌握分析問題、解決問題的方法，激發學生自主學習熱情，提高學生編程能力。本文針對《激光遙感》課程的特點和本科學生的知識積累，設計了課程實踐環節，豐富了教學內容，加深了學生對理論知識的理解，推動了《激光遙感》教學改革，使該工科課程更貼近科研和生產，為學生將來進行科研或生產打下了堅實基礎。
（武漢大學遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）
參考文獻：
[1]遙感信息工程學院.本科人才培養方案（2010年版）[EB/OL].2012（2）.
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[3]張喜旺，劉劍鋒.高校GIS專業遙感類課程教學改革探索[J].測繪與空間地理信息，2012，35（10）：10-12.
[4]劉經南，張小紅.激光掃描測高技術的發展與現狀[J].武漢大學學報：信息科學版，2003，28（2）：132-137.
激光遙感技術范文2
關鍵詞：無人機遙感技術；智慧苗圃；數據采集
中圖分類號：TU986
文獻標志碼：A
文章編號：1671-2641（2017）03-0078-04
收稿日期：2017-04-11
修回日期：2017-05-17
Abstract： Seedlings constitute the core material basis of landscaping.The construction level of garden nursery may directly affect the development and construction of landscaping. This study adopts a method of low altitude scanning by unmanned aerial vehicle with laser radar to manually measure single seedling. We take aerial photos of three nurseries （Nantang， Nanxiang and Xiaku in Sihui City） and extract information including distribution， scope and coordinates， height and crown size of earch tree. The results show that the aerial photos taken from unmanned aerial vehicle would be more intuitive and efficient to complete survey data collection and realize nursery information management.
Key words： Unmanned aerial vehicle （UAV） remote sensing； Wisdom nursery； Data acquisition
引言
苗木是@林綠化建設的物質基礎，園林苗圃是繁殖和培育苗木的基地，是供應城市綠化用苗的后勤部[1]。我國苗圃的經營管理存在管理體制、國家投入、人才等諸多方面不完善的問題，同時信息化建設還相對薄弱，造成苗圃的大面虧損[2]。按照國家信息化建設的推進和林業改革發展戰略，采用新技術推進我國苗圃的管理水平和建設水平顯得日益重要。
無人機遙感技術，是可應用于多領域的新信息技術。從數據獲取、數據處理、與實測數據對比、分析試驗數據誤差、尋找試驗誤差原因的全過程來看，無人機在林業調查中的應用可行性高[3]，樊江川對無人機航空攝影測樹技術進行研究，結果表明通過無人機航空攝影測樹木的主要特征參數精度符合森林資源調查的精度要求[4]，且個別方面優于傳統林業實地調查方法，使用無人機系統創建森林樹冠和高度模型[5]，從多維空間的圖像可看到森林物種分類和健康情況[6]，估算森林樹冠和樹高的變化[7]等領域發揮關鍵的作用，利用無人機空中三維激光掃描結合數字攝影的方法，將是提高植被茂密實景模型精度的有效手段[8]，但采用無人機遙感技術來提取園林苗圃信息及信息化管理的研究未見報道。
本研究是通過苗圃低空遙感及實地人工調查相結合的方法，利用無人機載激光雷達遙感技術，掃描樣地苗木，通過單木分割，提取苗木的一系列特征參數，比較分析無人機遙感測量和人工測量的數據豐富度及工作效率優劣，為建設智慧苗圃的高效節約管理平臺、實現智慧苗圃的信息化管理提供技術支撐。
1材料與方法
1.1主要儀器設備
本研究基于無人機遙感技術，應用Li-Air 無人機激光雷達掃描系統，集成激光雷達掃描單元、小型化組合導航系統。無人機續航時間為25 min，巡航半徑2 km，巡航速度為8 m/s，航程為5 km；激光雷達單元的測距精度為2 cm，激光器數16，激光波長905 nm，水平視野360°，垂直視野-15°～+15°，掃描頻率10 Hz。
1.2實驗方法
通過與傳統人工測量計算方式的對比，分析人工及無人機激光雷達系統在獲取苗木特征參數中效率和成本的優劣勢。具體實驗方法如下：
1）在天氣晴好的條件下，在四會南塘、南鄉和下堀的3個苗圃，分別取1個大樣地進行無人機激光雷達掃描，樣地大小為300 m×50 m，再在每個大樣地中取3個小樣方，樣方的大小為20 m×20 m，同一個大樣地中，沿直線每隔100 m取1個小樣方，進行人工每木測量，獲得苗圃內苗木的數量、高度、冠幅、胸徑等參數。同時記錄每個樣方的測量的耗時和人工。
2）利用多旋翼無人機搭載激光雷達系統，對3個苗圃的大樣地進行低空激光掃描，獲得空間點云數據，經過數據處理，得到苗圃內苗木的數量、高度、冠幅等參數，同時記錄無人機飛行架次和操作人工數。
激光遙感技術范文3
【關鍵詞】地質勘探；遙感技術；發展趨勢
1.從山西煤炭資源儲量及開采看煤田地質勘探的重要性
1.1山西煤炭資源儲量
山西是煤炭資源儲量大省，煤炭資源具有儲量十分豐富、分布范圍廣泛、煤類品種齊全、煤炭品質優良、開發條件較好等特點。2003 年山西第三次煤田預測資料，全省2000米以淺預測煤炭總儲量約為6600億噸，占全國煤炭資源總量的11.9%，僅次于新疆和內蒙，總儲量居全國第三位。山西煤炭資源儲存范圍分布廣泛，在全省119個行政縣（ 市、區）中，儲存煤炭資源的有94個，占79%，其中，煤炭年產量在百萬噸以上的縣（ 市、區）有68個。山西煤炭資源的煤類品種齊全，從低變質煤、中變質煤到高變質煤，省內均有分布，煤炭種類分布具有從北向南，煤的變質程度逐漸增高的特征，依次分布著低變質煤、中變質煤、高變質煤。山西煤炭品質優良，據中國煤炭分類國家標準，山西擁有14個牌號的煤種，在市場上具有極佳的品牌效應。如大同煤田的弱粘結煤享譽中外，河東煤田的主焦煤被譽為煤中“精粉”，沁水煤田的“蘭花炭”作為化工用煤的佳品而聞名遐邇。山西煤炭資源開發條件較好，寧武煤田平魯一帶煤層埋藏淺，適宜露天開采，其它地區多為中厚煤層，總體地質構造簡單，煤層厚度穩定，瓦斯含量不高，適宜井工開采。
1.2煤田地質勘探的重要性
山西具有得天獨厚的煤炭資源儲存優勢，是我國重要的煤炭生產供應基地，煤炭在中國的能源中處于十分重要的地位，煤炭工業的生產技術、安全狀況、健康發展，關系著經濟和社會發展。煤炭工業的建設和發展離不開地質勘探，煤田地質勘探作為煤炭工業的開路先鋒，是運用地質科學和技術手段來分析、探測煤礦床，為煤礦設計和建設以及煤炭生產提供可靠的地質資料，使煤炭資源能夠合理利用和順利開發為煤炭安全高效生產提供服務。其主要任務是：查明煤礦床范圍內礦體的分布特征；查明礦體地質構造特征；查明煤炭的儲量、種類、質量、工業品級及其空間分布規律；查明礦床開采技術條件、水文地質條件以及礦區自然、經濟條件。煤田地質勘探對于如何高效合理地開發應用煤炭資源、規范開采秩序、抓好煤礦安全生產、保護生態環境、促進煤炭企業可持續發展，有著十分重要的作用。在現實生產實踐中，一段時期以來，受“重開采，輕勘探”的思想影響，煤田地質勘探沒有得到應有的重視，以致于煤田地質勘探工作明顯滯后，甚至一度陷入困境。近年來，對煤田地質勘探工作的重要性認識逐步到位，煤田地質勘探工作正在走出困境，呈現出良好的發展勢頭。
2.煤田地質勘探技術發展趨勢分析
當前，我國煤田勘探技術手段主要有鉆探工程、坑探工程、地球物理勘探、地質填圖、遙感地質調查等。近年來，鉆探仍是獲得第一手地質資料的重要手段；物探儀器更新迅速，日新月異，靈敏度、分辨率、精確度越來越高，物探方法向多維、多參數測量、多方法組合發展；計算機和信息技術將普及到地質勘探技術的各個專業、運用到整個勘探系統。
2.1遙感地質調查技術大力發展
遙感地質是遙感技術在地質中的應用，是研究地質科學的一種新興手段。目前國際上常用的遙感技術手段主要有：攝影遙感、電視遙感、多光譜遙感、紅外遙感、雷達遙感、激光遙感、全息攝影遙感等。
遙感技術在地質調查中已經得到了普遍的應用，其具體應用就是像片的判讀，其中包括航片（可見光航空像片）、衛片（多光譜衛星像片）的判讀。該技術在地質填圖、地質構造解釋、找礦標志判別及動態分析方面的研究應用，高分辨率衛星圖像、礦山GPS定位技術、數字航攝技術、地質勘查GIS技術等一系列現代化技術手段研究與應用，將使地質勘探技術進一步實現現代化。地質填圖作為最基本的技術手段，是煤炭資源普查與勘探最基礎的工作，它的主要目的是對含煤地區進行全面的地表地質研究，調查含煤區的地層、構造、主煤層和煤質及其他有益礦產的情況，為以后的地質工作指出方向。地質填圖已由傳統老舊的羅盤、錘子、放大鏡三大件被先進的GPS導航、筆記本電腦和數碼相機所取代，向數字化方向深入發展。
2.2煤炭地質勘探技術信息化迅速推進
加強煤炭地質勘查主流程信息化系統技術的研究并廣泛應用，大力推進煤炭地質勘查數據采集、研究和地質報告編制的信息化建設，是煤田地質勘探技術發展的必然趨勢?，F代信息技術的發展與應用對煤炭勘探開發技術產生巨大的推動作用，使勘探專業發生了巨大的變化。目前已實現用人機對話方式處理和智能分析顯示地質勘探數據。此外，一些能在現場作預處理和自動控制各項操作的物探儀器、三維可視化技術、虛擬現實技術、數據銀行和數據倉庫技術等正在加快研究和開發。隨著這些先進的儀器設備和信息技術在地質勘探中的應用，必將極大地提高地質勘探的效率，對地質勘探產生深刻的影響。
2.3采用綜合方式進行地質勘探
（1）采區地面地震勘探。地震勘探是利用地下介質彈性和密度差異，通過觀測和分析大地對人工激發地震波的響應，推斷地下巖層的性質和形態的地球物理勘探方法。采區設計前，采用地面地震勘探手段，查明采區構造形態和斷層發育規律、煤層賦存狀況和底板起伏形態，評價影響開采的含水層富水性，并提出防治水害的措施，為采區設計提供可靠的地質資料。同時，需要進一步查明采區范圍內的小構造，根據采區銜接的要求提前布置實施。三維地震技術將不斷發展，多維多分量地震勘探技術研究將進一步深化，地震勘探技術能力和應用范圍將繼續擴大。
（2）微動測深勘查。微動是一種在空間域和時間域都極不規則的震動現象。微動測深勘查方法是利用自身體波和面波不同震動這一優勢反演地下地質結構。微動測深勘查主要有以下幾種：
1）平面探查。在礦區或者要求更精細的勘探，該勘探的條件是在儀器數量足夠多的情況下完成的，并需要反向推測測區三維體，從而通過速度異常體或者面描繪出三維態勢。2）單點勘查。主要是單點勘查方式觀測臺陣，一般由兩個不同半徑的同心圓組成，在圓心和圓周上內接正三角形頂點處各設置一套微動觀測儀。這種觀測方式勘查深度與臺陣的大小成正比。根據勘查深度的要求，可采用由3個或3個以上不同半徑的同心圓組成觀測臺陣。
2.4開發井下勘探技術
地面勘探技術已經是一項成熟的技術手段，如何將地面勘探技術成功地轉移到煤礦開發井下，是世界各國一直在探究的課題。包括：利用瑞雷波進行獨頭巷道超前探測、應用槽波探測工作面內部構造、利用聲發射技術預報煤與瓦斯突出危險區和利用微震觀測確定“三帶”發育高度等，由于煤層密度比上下圍巖小，煤層是一個典型的低速槽，并且伴隨著探地雷達技術的迅速發展，國外已經成功開發出一種能定量研究巖體、準確確定巷道周圍裂隙帶以及斷裂帶深度特征的Rock 雷達系統，代替了一些過時的應用技術。因此，從科技發展角度出發，煤礦井下物探技術將是煤田地質勘探技術的重要發展趨勢。
2.5發展水平鉆進技術
隨著社會的進步、經濟的發展，我國城市規模不斷延伸，城市基建就需要非開挖技術的出現來解決施工等現實技術問題。水平定向鉆進施工技術，又稱HDD施工技術，是我國非開挖方法中最快速、技術最先進、設備最完善、應用最廣泛的方法。水平鉆進技術，不僅能在井下沿煤層定向鉆進，還能在地面沿垂直―圓弧―水平線軌跡進入煤層鉆進，該技術加快了煤田地質勘探速度，提高了勘探效率，節約了勘探資金。
3.對煤田地質勘探技術發展的幾點建議
《國務院關于促進煤炭工業健康發展若干意見》明確指出，要加大煤炭資源勘探力度，增強煤炭資源保障能力，依靠科技進步，提高地質勘探精度，保障地質勘查質量，為合理規劃和開發煤炭資源奠定基礎。國務院對煤炭資源勘探工作高度重視并提出了更高的要求。要深入貫徹落實國務院文件精神，必須用科學發展觀指導地質勘探工作，大力提高地質勘探創新能力，運用現代地質理論，發展高新技術，全面提升煤炭地質勘探能力和服務水平。
3.1爭取優惠政策，加大地質勘探力度
根據各地煤炭資源分布特點、勘探技術和開發現狀，充分利用已有扶持政策，積極爭取各級政府對煤炭資源勘探的優惠政策，進一步加大煤炭資源勘探力度，多渠道融納資金，查明煤炭資源的家底，為煤炭工業可持續發展提供科學依據和優良服務。各級決策層首先要徹底轉變重開發、輕勘探的思想觀念，提高對煤田地質勘探重要性認識，為煤田地質勘探健康可持續發展給予大力支持。
3.2依靠科技進步，提高地質勘查質量
要提高地質勘探精度和質量，必須依靠科技進步，研究地質理論，發展地質理論，大力引進和研究開發各種現代高新技術和儀器設備，用現代地質理論和科學技術武裝地質勘探，進一步充實、完善、改進地質勘探技術方法和手段，為煤炭資源調查、煤田地質勘查以及相關的煤層氣、水資源評價提供理論和技術支撐。
3.3深化體制改革，提高地質勘探創新能力
要進一步深化煤田地質勘探體制改革，盡快形成可持續的煤炭資源保障體系，建立煤炭地質勘查新體制、新機制、新體系和煤炭資源管理新秩序，以增強地質勘探活力和動力，提高地質勘探的創新能力。
3.4利用多種渠道，加強地質勘探人才隊伍建設
充分利用各級教育機構和地質院校的教育資源優勢，大力培養地質勘探技術人才，充實地質勘探隊伍，有效解決地質勘探技術人才緊缺、隊伍老化、數量不足、質量不高的問題；通過各種方式對現有勘探人員開展技術培訓，不斷更新知識，提高技術業務素質；制定優惠政策防止地質勘探人才流失，吸引優秀人才；加強國際國內地質勘探技術合作和交流，及時了解和掌握當前地質勘探的新動態、新知識、新方法、新手段；鼓勵和支持地質勘探職工自學成才，為他們的學習和工作實踐提供良好的環境和條件。
3.5重視生態建設，為環境保護提供相關調查評價
加強環境保護的地質調查研究，對因礦業開發引發的煤層自燃、環境污染、地面塌陷、山體滑坡等地質災害，要加強調查評價。
3.6加強煤層氣勘探開發
煤層氣作為新型潔凈能源，可降低大氣污染，減少溫室效應。煤層氣的開發與利用，在為我們提供潔凈能源的同時，還可減少礦井瓦斯排放，降低煤礦安全事故。
4.結語
煤炭現代化生產對煤田地質勘探提出了更高的要求，我們要清醒地看到，我國煤田地質勘探技術雖然發展迅速，但與發達國家的先進技術相比，尚存在一定差距。因此，必須進一步加快我國煤田地質勘探技術的發展速度，滿足我國高產高效采煤工業生產的需求?；诿禾吭谥袊茉粗械闹匾匚?，國家對煤炭資源勘探和開發利用技術發展高度重視，大力鼓勵支持科技創新，相關科研機構和生產企業不斷加大對相關技術、裝備的研發力度，煤炭資源勘探的技術水平和勘查精度以及對煤礦安全高效生產保障的能力正在逐步提高，發展前景十分廣闊。
【參考文獻】
[1]熊濤.淺析煤田地質勘探技術發展[J].城市建設理論研究，2011（4）.
