在中國激光雷達(dá)應(yīng)用迎來“風(fēng)口”之際，人們也許不知道大洋彼岸的美國，華盛頓州自然資源部已經(jīng)開始了一項龐大的計劃：與公眾一起收集并處理覆蓋整個華盛頓州的LiDAR數(shù)據(jù)。

　　該項目受華盛頓州立法機關(guān)授權(quán)，啟動于2015年。截至目前已經(jīng)覆蓋華盛頓州至少41%的面積。項目監(jiān)督官員格里森(Abigail Gleason)說，這些影像數(shù)據(jù)分辨率包含1.83米(6英尺)和0.91米(3英尺)，其中0.91米的比例可達(dá)30.3%。發(fā)起該項目的是華盛頓州自然資源部(Washington State Department of Natural Resources，簡稱DNR)，是該州政府部門，管理著該州超過12000公頃的森林、農(nóng)業(yè)和商業(yè)土地。

　　你一定忍不住想，這么多數(shù)據(jù)一定能賣不少錢吧?但人家偏不。在DNR制作的網(wǎng)站(http://lidarportal.dnr.wa.gov)上，可以免費下載其提供的激光雷達(dá)制成的DEM影像以及山體陰影衍生影像。而隨著數(shù)據(jù)的完善，點云數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)也將慢慢發(fā)布。

在網(wǎng)站上可以免費下載到DEM及點云數(shù)據(jù)

　　如此龐大的工作量，無論是人力和財力上DNR都難以勝任。但聰明之處就在于，他們的LiDAR團隊并不依靠一己之力來收集數(shù)據(jù)。LiDAR專家利用飛機或直升機來獲取影像，而這些錢由合作伙伴來付。這之中既有美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的3D高程項目組(3DEP)，也有各市、縣、聯(lián)邦企業(yè)及私營企業(yè)。這些合作伙伴通常也是某個項目的利益相關(guān)者，這也是他們付錢的動力之一。

　　有趣的是，USGS既是該項目的合作伙伴，也是全美機構(gòu)間高程數(shù)據(jù)庫(USIEI)項目的發(fā)起者。該項目旨在公布全美高程數(shù)據(jù)，包括激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。該庫建成于2013年，并將每年更新一次。但因為資金、數(shù)據(jù)來源、責(zé)任劃分等原因，這一數(shù)據(jù)庫建設(shè)過程中出現(xiàn)了很多問題。因此，美國多達(dá)40個州都開始推進其自己的LiDAR數(shù)據(jù)庫建設(shè)，DNR發(fā)起的項目就屬于其中之一。

　　同時DNR團隊也會盡可能地滿足合作伙伴們的差異化需求。正是憑借各式各樣的需求，他們可以更加深入地理解這些數(shù)據(jù)的利用方式和確切用途。這是因為他們還有一個更偉大的目標(biāo)：不僅讓人們拿到這些數(shù)據(jù)，更要讓人們真正地用起來。

　　這跟項目的發(fā)展歷程也極為類似：DNR項目建立之初主要是為了繪制山體滑坡專題圖。但團隊逐漸發(fā)現(xiàn)，這些圖像往往在地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域之外還有無數(shù)額外的好處和應(yīng)用。

　　與華盛頓州自然資源部合作的Esri開放項目經(jīng)理Andrew Stauffer就說，他每天干的最多的一件事就是和同事們一起頭腦風(fēng)暴：“哪些人才是LiDAR影像數(shù)據(jù)的最終用戶?”他們認(rèn)為，找到網(wǎng)站、搜索然后下載數(shù)據(jù)很簡單，但大多數(shù)人并不知道如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些數(shù)據(jù)才是讓人尷尬的現(xiàn)狀。“這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。”他說。

　　頭腦風(fēng)暴的結(jié)論就是：這些數(shù)據(jù)的最終用戶雖然不一定是LiDAR專家，但他們一定會受益于GIS提供的實用結(jié)果。他們主要是技術(shù)人員和希望推進地理學(xué)研究的科研人員。因此DNR和Esir團隊的最終目標(biāo)就是，讓每個人都受到激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的啟發(fā)，來讓它們真正地影響人們的生活。

　　受此影響，他們在網(wǎng)站上盡可能多地公布數(shù)據(jù)，同時將它們渲染成精美的圖片，來讓大眾感受到它們的美。

　　1.地質(zhì)學(xué)

　　在地質(zhì)學(xué)上裸地模型用處很大。無論是洪水還是山體滑坡，無論是土壤侵蝕還是冰川襲擊，都會在地形上留下蹤跡。它們盡管會被茂密的植被覆蓋，卻逃不過激光雷達(dá)的“火眼金睛”。

　　通常，人們用航拍來調(diào)查滑坡情況。但這很容易受到茂密植物的影響。而激光雷達(dá)拍攝的影像則可以明顯地反映出陡坡、凹陷與滑坡，因此地質(zhì)專家們可以迅速判斷滑坡位置。

美國大型山體滑坡的遙感影像與激光雷達(dá)影像對比

　　地質(zhì)上的斷層往往會衍生出凹陷、河床偏移、陡坎等地質(zhì)現(xiàn)象。盡管有植被覆蓋和地貌侵蝕，激光雷達(dá)還是可以幫助專家順利地發(fā)現(xiàn)斷層。

在圖像上可以清晰地看到斷層，白色圈點表示已經(jīng)取樣的地區(qū)，以確定斷層運動發(fā)生的時間

　　僅憑普通地圖，地質(zhì)學(xué)家們很容忽略一些地質(zhì)特征。激光雷達(dá)影像和地形圖的結(jié)合可以使畫面更直觀。

在高質(zhì)量的激光雷達(dá)影像上，滑坡、斷層、河流梯田、冰川通道、沖積扇、凹槽等清晰可見

　　用激光雷達(dá)掃描洪泛區(qū)可以快速創(chuàng)建該地區(qū)的三維模型。利用模型很容易發(fā)現(xiàn)哪些地區(qū)最容易受到洪水的威脅。對過對廢棄的河道、溝渠、梯田和堤壩等這些細(xì)微的特征地物更好地觀察，管理者們能夠更好地管理洪泛區(qū)，以此來保護洪泛區(qū)的自然功能制定更好的應(yīng)急方案。

激光雷達(dá)的高程數(shù)據(jù)反映了Chehalis泛洪平原的地物特征

　　激光雷達(dá)還可以監(jiān)測冰川增長和消融。

圖中的水洼就是冰川消融留下的洼地，影像來自奧林匹亞南部

　　專家們還可以利用激光雷達(dá)影像更好地預(yù)測海嘯有可能危及的地區(qū)。激光雷達(dá)也可以監(jiān)測沿海地區(qū)，當(dāng)一些沉積物受電流和風(fēng)暴影響而迅速移動時，也逃不過激光雷達(dá)的“眼睛”。當(dāng)然，激光雷達(dá)也可以監(jiān)測火山變化。

 

激光雷達(dá)影像監(jiān)測到圣海倫山山頂2002年到2004年間的變化

　　2.自動駕駛

　　激光雷達(dá)在自動駕駛車輛上的應(yīng)用在近幾年突然收到關(guān)注。激光雷達(dá)可以通過測量車輛周圍物體的距離和速度，來實時繪制周圍環(huán)境，從而完成對車輛的導(dǎo)航。這樣無人駕駛車輛才能夠自主地調(diào)整速度或制動、泊車。

　　類似地，一些無人機機器人也可利用其搭載的激光雷達(dá)來感知周圍環(huán)境，以合理避障或降落。結(jié)合一些可以實現(xiàn)對激光雷達(dá)影像分類的軟件，機器人甚至可以識別目標(biāo)。

　　3.林業(yè)

　　林業(yè)方面，激光雷達(dá)影像對林區(qū)建立的模型，可與其他模型一起，用來估算樹木總量、密度、質(zhì)量、葉面積、冠層高度和生長速率等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于伐木、規(guī)劃、預(yù)測產(chǎn)量、預(yù)測生物多樣性、定位野生動物棲息地和規(guī)劃保護等方面。

激光雷達(dá)觀測到樹木下裸露的山丘

利用激光雷達(dá)影像可以分析樹冠、樹高和樹密度

　　4.目標(biāo)三維重建

　　物體的激光雷達(dá)影像可以被渲染成直觀的模型。這些模型可用于虛擬城市中的單個建筑物、汽車或其他物體。它們甚至可以用來制作3D游戲，重現(xiàn)事故、犯罪現(xiàn)場以及幫助建筑物重建等。

　　激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確地完成細(xì)節(jié)的繪制。例如在游戲中如果要添加一個場館模型，那么激光雷達(dá)的效率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一個建筑師的手工繪圖。

　　5.氣象和火災(zāi)

　　激光雷達(dá)可監(jiān)測某些包括氣溶膠在內(nèi)的大氣成分。大氣污染物和氣體(如臭氧、二氧化碳和水蒸氣)也可以這樣測量。激光雷達(dá)尤其適用于某些密閉、有潛在危險的地區(qū)的測量。

　　激光雷達(dá)也被試用于繪制林區(qū)火災(zāi)造成的巨大煙霧，通過對其建模來估計可燃物的體量和密度。

2014年7月，閃電導(dǎo)致Chiwaukum發(fā)生火災(zāi)，受災(zāi)面積超過14000英畝

　　6.城市規(guī)劃

　　激光雷達(dá)可以識別并繪制街道、公路、鐵路、堤壩、建筑物和其他人造地物。激光雷達(dá)的影像可以制成反映風(fēng)險的主題地圖，規(guī)劃人員可以從中選擇最佳的建筑位置。規(guī)劃師也可以使用這些信息來衡量建筑物的視線范圍，以確定該建筑物的高度。

結(jié)合表面高程、山體陰影和坡度共同繪制而成的華盛頓州塔科馬圓頂附近的主題地圖

　　規(guī)劃所需數(shù)據(jù)精度極高，但傳統(tǒng)測量非常耗時耗力。但利用模型分析可以大大提升效率，例如工程師們可以根據(jù)模型準(zhǔn)確判斷，在施工過程中，哪些樹木需要被砍伐。

　　7.考古

　　考古領(lǐng)域中，激光雷達(dá)可以找到隱藏在森林之下的東西，這些恰恰能引導(dǎo)考古學(xué)家到他們?nèi)庋郯l(fā)現(xiàn)不了的地方去。例如，通過影像可以尋找到植物覆蓋下的影響其生長的原因。

　　8.農(nóng)業(yè)

　　農(nóng)業(yè)方面，激光雷達(dá)可確定作物面的傾角和方向。這些數(shù)據(jù)可用于精準(zhǔn)預(yù)測作物產(chǎn)量，精確定位肥料投放區(qū)域，從而最大限度地提高農(nóng)作物產(chǎn)量，或制定合適的灌溉計劃。激光雷達(dá)還可以維護果園健康，例如發(fā)現(xiàn)需要修剪的樹木、掌握樹木總量或者其他維護需求。