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激光遥感技术范文1
关键词：遥感 机载激光雷达 实践教学 课程设计
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1674-2117（2014）18-00-02
1 前言
《激光遥感》是武汉大学遥感信息工程学院为适应遥感技术发展的最新需求，对原有《激光成像》课程进行改造而设置的一门专业必修课程。随着相关技术的发展，激光遥感成为了遥感技术的重要方向。近些年越来越多的资源投入到激光雷达术的研究和实践中，使之得到飞速发展。目前激光遥感技术已经运用到了近景、地面、车载、机载到星载的多种平台上，提供了不同精度的多种产品，应用在诸多行业中。相应地，激光遥感数据处理也从科学研究少量试验发展到了大规模生产实践阶段。面对这种变化趋势，武汉大学遥感信息工程学院在2010年修订的本科生培养方案中，设置了《激光遥感》课程，作为摄影测量方向本科生的专业必修课和遥感信息工程方向本科生的专业选修课[1]。这准确地反映了目前激光遥感技术的发展状况和其在遥感技术中的地位。
2 加强激光遥感实践课程的必要性
在激光遥感课程改造过程中，有必要提出并坚持面向应用的方针，这一方面是生产的需要，我国已经正在大力引进和推广激光遥感技术，仅机载LiDAR设备就已经超过30台，价值数亿元，其他的地面及近景设备更是多达百余套。这些设备采集了大量的数据，处理这些数据需要专门的人才，对本科教育提出了要求[2]；另一方面是就业的需要，虽然随着空间技术的应用，摄影测量与遥感专业的学生就业形势较好，但是要看到，随着开设相关专业课程学校的增加以及学生规模的扩大，就业压力已经越来越大，有必要根据生产部门的需求，有针对性地培养学生专长，扩大就业机会；第三方面是科学研究的需要，目前激光遥感数据仅仅得到了初步的应用，如何提高数据处理效率，丰富数据产品类型以及拓展数据范围等，是目前生产部门亟待解决的问题[3]。通过在本科阶段设置相关课程，加大培养力度，有利于激发学生科研兴趣，为将来投身相关科学研究打下了坚实基础。在过去激光遥感属于前沿技术，缺少必要的案例和数据，主要采取课堂讲授的方式，通过教师的PPT和板书进行教学，学生的课堂实验及课后实践很少，缺少实践环节，造成学生动手能力较差，同时对理论的理解也不够深入，影响了用人单位的使用[4]。因此，随着激光遥感技术从探索走向应用，对应的《激光遥感》课程也由选修设置为必修，其授课方式也应该从纯理论讲授发展为理论结合实践的讲授方式。
3 遥感实践课程的原则及内容
3.1 遥感实践课程的原则
激光遥感数据处理环节多，涉及的专业知识多，同时，由于仍处于不断发展中，很多新处理方法和产品不断涌现，成熟和固定的生产与数据处理方法和流程较少。在确定激光遥感课程实践内容时需要把握如下原则：
（1）有利于全面掌握课程的知识点，实践的内容应该贯穿整个课程的环节，加深和巩固学生对理论的了解；
（2）有利于相关专业知识的融会贯通[5]。激光遥感是多种新技术的集成技术，应该通过实践环节，使学生了解相关专业技术以及集成技术的重要性及作用；
（3）有利于激发学生的科学研究兴趣[6]。应该通过实践，激发学生探索未知的兴趣，投身于对激光遥感技术科学研究中；
（4）有助于提高学生动手能力。激光遥感技术是一门工科技术，其落脚点应聚焦在提高学生的动手能力，为将来胜任行业部门打下基础；
（5）有助于课程安排。课堂时间有限，过于复杂的实验占用太多时间，不利于课堂组织，简单的实验不利于学生掌握相关知识。必须对各实验部分精心设计，使之既相对独立又有机联系。
3.2遥感实践课程的主要内容
激光遥感实践环节的内容
激光遥感技术工程实践环节较多，内容庞杂，主要有：
航线设计，需要全面掌握点云数据的参数，影像数据参数等；
数据预处理，包括误差剔除，坐标转换等；
输入输出，包括格式转换，内插方法等；
基础测绘产品生产，包括DEM、DLG的生产；
高级地理信息应用，包括数据分类、建筑物提取，三维建模以及空间信息系统研发等。
4 遥感实践课程设计
4.1 框架
本文设计了激光遥感课程的实践教学方案，框架图如下。
激光遥感实践框架
4.2 实践教学方案
本文设计了激光遥感课程的实践教学案例，下面针对框架进行详细说明。
（1）为了使学生对LiDAR技术有感性的认识，设计了参观的环节，以激发学生的兴趣。选择学院的硬件设备或者生产部门的生产现场，使学生通过参观对LiDAR设备的组成、相关技术和行业应用有初步了解，在生产一线了解该技术目前的应用关键和难点。一方面激发学生投身生产的热情，另一方面使学生了解科研与生产的方向。
（2）针对LAS格式的数据，要求学生编写程序，能够读取数据到相应的数组中。主要使学生了解LiDAR数据种类，通过深入研究LAS数据格式，了解空间信息数据的特点和存储难点；通过全面讲解LAS格式版本的发展过程，了解LiDAR技术进步过程和数据不断丰富的过程；通过程序编写，熟练掌握空间数据读取技术和节省数据存储空间的技巧。
（3）对LiDAR数据进行三维显示和基本空间分析操作。主要使用任课教师承担科研项目时编写的数据处理平台，在使用前任课教师先讲解科研项目的目的、意义、进展及展望，再对该平台的基本功能，尤其是数据读取部分进行详细讲解。一方面可以使学生看到上次课程自己编写的数据读取程序的规范性、速度和效率上存在的问题，另一方面可以使学生知道，科研项目并不神秘，而是从基础的功能起步的；通过对点云的简单空间操作和分析，使学生了解点云数据的粗差、断面、建筑物和树木脚点的空间分布特征、区别以及容易混淆的地方；通过对波形数据的读取、显示和分解，使学生了解LiDAR数据的新发展及其优点。
（4）要求学生编程实现LiDAR数据粗差的剔除。本次实践具有一定的灵活性，学生可以自行编写包含读取、显示、剔除粗差以及存储的完整程序，也可以在教师提供的平台上，以组件的形式完成剔除粗差的功能。关键是使学生理解基于高差的分类方法，基于统计原理的区分粗差的方法，熟悉一些基本的测量平差方法，不仅能够复习和掌握前期学过的测绘的基本专业知识，还能初步掌握LiDAR数据处理的基本原理和DEM的基本生产方法。
（5）要求学生编程实现去除粗差后的LiDAR数据的规则化。主要使学生复习和掌握空间数据内插的主要方法，了解LiDAR数据采集的随机性，知道其特点和不足，提高编程水平，同时对于DEM的生产方法也有更深入的掌握。
（6）实现LiDAR点云数据分类和输出。这部分比较复杂，主要基于现有软件，使学生掌握LiDAR数据分类的原理和生产部门处理的流程和工具，在不断调试参数并观察处理结果的过程中，琢磨和理解现有数据分类算法的原理和不足，明了目前LiDAR数据产品生产的关键和难点，为将来从事生产或科研打下基础。
（7）撰写实践报告，要求学生将实践过程和实践结果进行展示和总结，提出自己的想法，可以提出新的原理或算法，也可以针对某一环节提出改进措施，自由发挥。教师根据学生的报告综合、总结，在课堂上进行展示和点评，并给出成绩。
5 结语
实践教学不仅是理论课程的补充，而且具有验证、综合、创新等功能。加强实践性教学，有助于学生全面理解理论知识，掌握分析问题、解决问题的方法，激发学生自主学习热情，提高学生编程能力。本文针对《激光遥感》课程的特点和本科学生的知识积累，设计了课程实践环节，丰富了教学内容，加深了学生对理论知识的理解，推动了《激光遥感》教学改革，使该工科课程更贴近科研和生产，为学生将来进行科研或生产打下了坚实基础。
（武汉大学遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）
参考文献：
[1]遥感信息工程学院.本科人才培养方案（2010年版）[EB/OL].2012（2）.
[2]赖旭东.《激光遥感》课程设计与思考[J].地理空间信息，2012，10（4）：168-169.
[3]张喜旺，刘剑锋.高校GIS专业遥感类课程教学改革探索[J].测绘与空间地理信息，2012，35（10）：10-12.
[4]刘经南，张小红.激光扫描测高技术的发展与现状[J].武汉大学学报：信息科学版，2003，28（2）：132-137.
激光遥感技术范文2
关键词：无人机遥感技术；智慧苗圃；数据采集
中图分类号：TU986
文献标志码：A
文章编号：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@林绿化建设的物质基础，园林苗圃是繁殖和培育苗木的基地，是供应城市绿化用苗的后勤部[1]。我国苗圃的经营管理存在管理体制、国家投入、人才等诸多方面不完善的问题，同时信息化建设还相对薄弱，造成苗圃的大面亏损[2]。按照国家信息化建设的推进和林业改革发展战略，采用新技术推进我国苗圃的管理水平和建设水平显得日益重要。
无人机遥感技术，是可应用于多领域的新信息技术。从数据获取、数据处理、与实测数据对比、分析试验数据误差、寻找试验误差原因的全过程来看，无人机在林业调查中的应用可行性高[3]，樊江川对无人机航空摄影测树技术进行研究，结果表明通过无人机航空摄影测树木的主要特征参数精度符合森林资源调查的精度要求[4]，且个别方面优于传统林业实地调查方法，使用无人机系统创建森林树冠和高度模型[5]，从多维空间的图像可看到森林物种分类和健康情况[6]，估算森林树冠和树高的变化[7]等领域发挥关键的作用，利用无人机空中三维激光扫描结合数字摄影的方法，将是提高植被茂密实景模型精度的有效手段[8]，但采用无人机遥感技术来提取园林苗圃信息及信息化管理的研究未见报道。
本研究是通过苗圃低空遥感及实地人工调查相结合的方法，利用无人机载激光雷达遥感技术，扫描样地苗木，通过单木分割，提取苗木的一系列特征参数，比较分析无人机遥感测量和人工测量的数据丰富度及工作效率优劣，为建设智慧苗圃的高效节约管理平台、实现智慧苗圃的信息化管理提供技术支撑。
1材料与方法
1.1主要仪器设备
本研究基于无人机遥感技术，应用Li-Air 无人机激光雷达扫描系统，集成激光雷达扫描单元、小型化组合导航系统。无人机续航时间为25 min，巡航半径2 km，巡航速度为8 m/s，航程为5 km；激光雷达单元的测距精度为2 cm，激光器数16，激光波长905 nm，水平视野360°，垂直视野-15°～+15°，扫描频率10 Hz。
1.2实验方法
通过与传统人工测量计算方式的对比，分析人工及无人机激光雷达系统在获取苗木特征参数中效率和成本的优劣势。具体实验方法如下：
1）在天气晴好的条件下，在四会南塘、南乡和下堀的3个苗圃，分别取1个大样地进行无人机激光雷达扫描，样地大小为300 m×50 m，再在每个大样地中取3个小样方，样方的大小为20 m×20 m，同一个大样地中，沿直线每隔100 m取1个小样方，进行人工每木测量，获得苗圃内苗木的数量、高度、冠幅、胸径等参数。同时记录每个样方的测量的耗时和人工。
2）利用多旋翼无人机搭载激光雷达系统，对3个苗圃的大样地进行低空激光扫描，获得空间点云数据，经过数据处理，得到苗圃内苗木的数量、高度、冠幅等参数，同时记录无人机飞行架次和操作人工数。
激光遥感技术范文3
【关键词】地质勘探；遥感技术；发展趋势
1.从山西煤炭资源储量及开采看煤田地质勘探的重要性
1.1山西煤炭资源储量
山西是煤炭资源储量大省，煤炭资源具有储量十分丰富、分布范围广泛、煤类品种齐全、煤炭品质优良、开发条件较好等特点。2003 年山西第三次煤田预测资料，全省2000米以浅预测煤炭总储量约为6600亿吨，占全国煤炭资源总量的11.9%，仅次于新疆和内蒙，总储量居全国第三位。山西煤炭资源储存范围分布广泛，在全省119个行政县（ 市、区）中，储存煤炭资源的有94个，占79%，其中，煤炭年产量在百万吨以上的县（ 市、区）有68个。山西煤炭资源的煤类品种齐全，从低变质煤、中变质煤到高变质煤，省内均有分布，煤炭种类分布具有从北向南，煤的变质程度逐渐增高的特征，依次分布着低变质煤、中变质煤、高变质煤。山西煤炭品质优良，据中国煤炭分类国家标准，山西拥有14个牌号的煤种，在市场上具有极佳的品牌效应。如大同煤田的弱粘结煤享誉中外，河东煤田的主焦煤被誉为煤中“精粉”，沁水煤田的“兰花炭”作为化工用煤的佳品而闻名遐迩。山西煤炭资源开发条件较好，宁武煤田平鲁一带煤层埋藏浅，适宜露天开采，其它地区多为中厚煤层，总体地质构造简单，煤层厚度稳定，瓦斯含量不高，适宜井工开采。
1.2煤田地质勘探的重要性
山西具有得天独厚的煤炭资源储存优势，是我国重要的煤炭生产供应基地，煤炭在中国的能源中处于十分重要的地位，煤炭工业的生产技术、安全状况、健康发展，关系着经济和社会发展。煤炭工业的建设和发展离不开地质勘探，煤田地质勘探作为煤炭工业的开路先锋，是运用地质科学和技术手段来分析、探测煤矿床，为煤矿设计和建设以及煤炭生产提供可靠的地质资料，使煤炭资源能够合理利用和顺利开发为煤炭安全高效生产提供服务。其主要任务是：查明煤矿床范围内矿体的分布特征；查明矿体地质构造特征；查明煤炭的储量、种类、质量、工业品级及其空间分布规律；查明矿床开采技术条件、水文地质条件以及矿区自然、经济条件。煤田地质勘探对于如何高效合理地开发应用煤炭资源、规范开采秩序、抓好煤矿安全生产、保护生态环境、促进煤炭企业可持续发展，有着十分重要的作用。在现实生产实践中，一段时期以来，受“重开采，轻勘探”的思想影响，煤田地质勘探没有得到应有的重视，以致于煤田地质勘探工作明显滞后，甚至一度陷入困境。近年来，对煤田地质勘探工作的重要性认识逐步到位，煤田地质勘探工作正在走出困境，呈现出良好的发展势头。
2.煤田地质勘探技术发展趋势分析
当前，我国煤田勘探技术手段主要有钻探工程、坑探工程、地球物理勘探、地质填图、遥感地质调查等。近年来，钻探仍是获得第一手地质资料的重要手段；物探仪器更新迅速，日新月异，灵敏度、分辨率、精确度越来越高，物探方法向多维、多参数测量、多方法组合发展；计算机和信息技术将普及到地质勘探技术的各个专业、运用到整个勘探系统。
2.1遥感地质调查技术大力发展
遥感地质是遥感技术在地质中的应用，是研究地质科学的一种新兴手段。目前国际上常用的遥感技术手段主要有：摄影遥感、电视遥感、多光谱遥感、红外遥感、雷达遥感、激光遥感、全息摄影遥感等。
遥感技术在地质调查中已经得到了普遍的应用，其具体应用就是像片的判读，其中包括航片（可见光航空像片）、卫片（多光谱卫星像片）的判读。该技术在地质填图、地质构造解释、找矿标志判别及动态分析方面的研究应用，高分辨率卫星图像、矿山GPS定位技术、数字航摄技术、地质勘查GIS技术等一系列现代化技术手段研究与应用，将使地质勘探技术进一步实现现代化。地质填图作为最基本的技术手段，是煤炭资源普查与勘探最基础的工作，它的主要目的是对含煤地区进行全面的地表地质研究，调查含煤区的地层、构造、主煤层和煤质及其他有益矿产的情况，为以后的地质工作指出方向。地质填图已由传统老旧的罗盘、锤子、放大镜三大件被先进的GPS导航、笔记本电脑和数码相机所取代，向数字化方向深入发展。
2.2煤炭地质勘探技术信息化迅速推进
加强煤炭地质勘查主流程信息化系统技术的研究并广泛应用，大力推进煤炭地质勘查数据采集、研究和地质报告编制的信息化建设，是煤田地质勘探技术发展的必然趋势。现代信息技术的发展与应用对煤炭勘探开发技术产生巨大的推动作用，使勘探专业发生了巨大的变化。目前已实现用人机对话方式处理和智能分析显示地质勘探数据。此外，一些能在现场作预处理和自动控制各项操作的物探仪器、三维可视化技术、虚拟现实技术、数据银行和数据仓库技术等正在加快研究和开发。随着这些先进的仪器设备和信息技术在地质勘探中的应用，必将极大地提高地质勘探的效率，对地质勘探产生深刻的影响。
2.3采用综合方式进行地质勘探
（1）采区地面地震勘探。地震勘探是利用地下介质弹性和密度差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法。采区设计前，采用地面地震勘探手段，查明采区构造形态和断层发育规律、煤层赋存状况和底板起伏形态，评价影响开采的含水层富水性，并提出防治水害的措施，为采区设计提供可靠的地质资料。同时，需要进一步查明采区范围内的小构造，根据采区衔接的要求提前布置实施。三维地震技术将不断发展，多维多分量地震勘探技术研究将进一步深化，地震勘探技术能力和应用范围将继续扩大。
（2）微动测深勘查。微动是一种在空间域和时间域都极不规则的震动现象。微动测深勘查方法是利用自身体波和面波不同震动这一优势反演地下地质结构。微动测深勘查主要有以下几种：
1）平面探查。在矿区或者要求更精细的勘探，该勘探的条件是在仪器数量足够多的情况下完成的，并需要反向推测测区三维体，从而通过速度异常体或者面描绘出三维态势。2）单点勘查。主要是单点勘查方式观测台阵，一般由两个不同半径的同心圆组成，在圆心和圆周上内接正三角形顶点处各设置一套微动观测仪。这种观测方式勘查深度与台阵的大小成正比。根据勘查深度的要求，可采用由3个或3个以上不同半径的同心圆组成观测台阵。
2.4开发井下勘探技术
地面勘探技术已经是一项成熟的技术手段，如何将地面勘探技术成功地转移到煤矿开发井下，是世界各国一直在探究的课题。包括：利用瑞雷波进行独头巷道超前探测、应用槽波探测工作面内部构造、利用声发射技术预报煤与瓦斯突出危险区和利用微震观测确定“三带”发育高度等，由于煤层密度比上下围岩小，煤层是一个典型的低速槽，并且伴随着探地雷达技术的迅速发展，国外已经成功开发出一种能定量研究岩体、准确确定巷道周围裂隙带以及断裂带深度特征的Rock 雷达系统，代替了一些过时的应用技术。因此，从科技发展角度出发，煤矿井下物探技术将是煤田地质勘探技术的重要发展趋势。
2.5发展水平钻进技术
随着社会的进步、经济的发展，我国城市规模不断延伸，城市基建就需要非开挖技术的出现来解决施工等现实技术问题。水平定向钻进施工技术，又称HDD施工技术，是我国非开挖方法中最快速、技术最先进、设备最完善、应用最广泛的方法。水平钻进技术，不仅能在井下沿煤层定向钻进，还能在地面沿垂直―圆弧―水平线轨迹进入煤层钻进，该技术加快了煤田地质勘探速度，提高了勘探效率，节约了勘探资金。
3.对煤田地质勘探技术发展的几点建议
《国务院关于促进煤炭工业健康发展若干意见》明确指出，要加大煤炭资源勘探力度，增强煤炭资源保障能力，依靠科技进步，提高地质勘探精度，保障地质勘查质量，为合理规划和开发煤炭资源奠定基础。国务院对煤炭资源勘探工作高度重视并提出了更高的要求。要深入贯彻落实国务院文件精神，必须用科学发展观指导地质勘探工作，大力提高地质勘探创新能力，运用现代地质理论，发展高新技术，全面提升煤炭地质勘探能力和服务水平。
3.1争取优惠政策，加大地质勘探力度
根据各地煤炭资源分布特点、勘探技术和开发现状，充分利用已有扶持政策，积极争取各级政府对煤炭资源勘探的优惠政策，进一步加大煤炭资源勘探力度，多渠道融纳资金，查明煤炭资源的家底，为煤炭工业可持续发展提供科学依据和优良服务。各级决策层首先要彻底转变重开发、轻勘探的思想观念，提高对煤田地质勘探重要性认识，为煤田地质勘探健康可持续发展给予大力支持。
3.2依靠科技进步，提高地质勘查质量
要提高地质勘探精度和质量，必须依靠科技进步，研究地质理论，发展地质理论，大力引进和研究开发各种现代高新技术和仪器设备，用现代地质理论和科学技术武装地质勘探，进一步充实、完善、改进地质勘探技术方法和手段，为煤炭资源调查、煤田地质勘查以及相关的煤层气、水资源评价提供理论和技术支撑。
3.3深化体制改革，提高地质勘探创新能力
要进一步深化煤田地质勘探体制改革，尽快形成可持续的煤炭资源保障体系，建立煤炭地质勘查新体制、新机制、新体系和煤炭资源管理新秩序，以增强地质勘探活力和动力，提高地质勘探的创新能力。
3.4利用多种渠道，加强地质勘探人才队伍建设
充分利用各级教育机构和地质院校的教育资源优势，大力培养地质勘探技术人才，充实地质勘探队伍，有效解决地质勘探技术人才紧缺、队伍老化、数量不足、质量不高的问题；通过各种方式对现有勘探人员开展技术培训，不断更新知识，提高技术业务素质；制定优惠政策防止地质勘探人才流失，吸引优秀人才；加强国际国内地质勘探技术合作和交流，及时了解和掌握当前地质勘探的新动态、新知识、新方法、新手段；鼓励和支持地质勘探职工自学成才，为他们的学习和工作实践提供良好的环境和条件。
3.5重视生态建设，为环境保护提供相关调查评价
加强环境保护的地质调查研究，对因矿业开发引发的煤层自燃、环境污染、地面塌陷、山体滑坡等地质灾害，要加强调查评价。
3.6加强煤层气勘探开发
煤层气作为新型洁净能源，可降低大气污染，减少温室效应。煤层气的开发与利用，在为我们提供洁净能源的同时，还可减少矿井瓦斯排放，降低煤矿安全事故。
4.结语
煤炭现代化生产对煤田地质勘探提出了更高的要求，我们要清醒地看到，我国煤田地质勘探技术虽然发展迅速，但与发达国家的先进技术相比，尚存在一定差距。因此，必须进一步加快我国煤田地质勘探技术的发展速度，满足我国高产高效采煤工业生产的需求。基于煤炭在中国能源中的重要地位，国家对煤炭资源勘探和开发利用技术发展高度重视，大力鼓励支持科技创新，相关科研机构和生产企业不断加大对相关技术、装备的研发力度，煤炭资源勘探的技术水平和勘查精度以及对煤矿安全高效生产保障的能力正在逐步提高，发展前景十分广阔。
【参考文献】
[1]熊涛.浅析煤田地质勘探技术发展[J].城市建设理论研究，2011（4）.
