激光雷达遥感定量化关键技术及应用项目介绍

PAGEPAGE2激光雷达遥感定量化关键技术及应用项目介绍项目名称激光雷达遥感定量化关键技术及应用提名单位：河南省人民政府提名单位意见：激光雷达技术是对地观测技术的重大突破之一。项目瞄准国际前沿和国家重大需求，历经十余年的理论研究和技术创新，在激光雷达遥感机理、定量化数据处理和多行业应用等方面取得了一系列创新性成果。（1）创新发展了激光雷达定量化成像机理模型，研发了激光雷达过程定量化模拟平台，实现了复杂环境下激光波形模拟技术的重大突破；（2）攻克了激光雷达系统检校、质量控制、波形分解、点云滤波、光子去噪等核心关键技术，研制了我国第一套定量化激光雷达数据处理软件；（3）创建了系列植被结构和生理参数反演模型，解决了低矮植被、复杂地形、密集覆盖下植被参数反演的难题，为激光雷达在森林资源调查、生物多样性监测、精准农业等领域应用提供了方法支撑；（4）突破了激光雷达电力线三维精细建模、危险点精准探测与预警分析等核心关键技术，开发了具有完全自主知识产权的机载激光雷达电力巡线软件，完成了国家电网超过7万千米的巡线任务。项目制定了行业标准2部，获国家发明专利18项、实用新型专利1项，软件著作权35项，出版专著2部，发表文章207篇（其中SCI138篇，JCR一区37篇）。对照国家科学技术奖授奖条件，提名该项目申报2019年度国家科学技术进步奖二等奖。项目简介激光雷达遥感技术在三维空间信息获取与分析上具有独特优势，属于对地观测领域的重点发展方向。然而，其独特的成像原理以及多平台多模态的观测方式限制了激光雷达定量化水平，给测绘、林业、电力等行业应用带来新的挑战。本项目团队历时十余年率先完成了激光雷达“成像机理-数据处理-行业应用”全过程研究，突破了系列核心关键技术，研制了数据处理和应用软件，同时制定了行业标准，显著提升了我国激光雷达定量化应用水平。主要创新如下：（1）创新发展了激光雷达定量化成像机理模型，研发了国内首个激光雷达过程定量化模拟平台，实现了复杂环境下激光雷达波形模拟的技术突破，涉及激光器寿命、脉冲能量、接收口径、卫星姿态等21个激光器和平台参数，波形模拟精度可达98%，为我国星载激光雷达计划提供传感器模拟与应用指标论证。（2）构建了激光雷达数据定量化处理与信息提取技术体系，突破了设备检校、点云配准、波形分解、点云滤波、光子去噪、三维模型构建等核心关键技术，研制出我国第一套定量化激光雷达数据处理软件（点云魔方，PCM）并向国内外用户免费下载使用，加速了激光雷达技术在我国的行业应用。（3）创建了植被结构和生理参数定量反演模型32个，解决了低矮植被、复杂地形、密集覆盖环境下植被参数高精度反演的技术难题，引领了激光雷达遥感在森林资源调查、生物多样性监测、精准农业等领域的应用，为我国参与碳排放和应对全球气候变化的国际谈判提供了科学数据。（4）率先实现了我国激光雷达电力巡线的业务化运行，攻克了激光雷达在电力走廊关键地物自动化高精度分类、电力线三维精细建模、危险点精准检测与预警分析等技术难题，分类精度、危险点检测精度分别达到90%和95%以上，研制了智能化机载激光雷达电力巡线软件，并在国家电网、南方电网得到广泛应用。本项目成果解决了激光雷达定量化数据处理关键技术与行业应用难题，实现了从定性分析到定量应用的重大转变，为我国星载激光雷达计划提供传感器模拟与应用指标论证；制作的全球森林高度分布图被中国《第三次气候变化国家评估报告数据与方法集》采纳，森林生物量模型被国际ESI高被引论文收录，为我国参与碳排放和应对全球气候变化的国际谈判提供了科学数据；研制的我国第一套定量化激光雷达数据处理软件“点云魔方”已成为目前国内最流行的激光雷达软件，其中布料滤波算法已被集成于国际主流激光雷达软件（如CloudCompare等）；完成了超过7万千米的高压/特高压输电线路巡检、2万公顷林业资源调查、2000平方千米城市三维建模等任务。项目成果主要包括：制定行业标准2部，授权国家发明专利18项、实用新型1项、软件著作权35项，出版专著2部，发表论文207篇（其中SCI论文138篇），获省部级奖励5项。此外，本项目培养硕、博士107名，形成了一支激光雷达数据定量化处理与应用创新领军团队。客观评价1.科技成果评价意见河南省科学技术信息研究院于2017年12月15日组织有关专家对成果进行了评价，以国务院测绘学科评议组成员孙群教授为组长的专家组一致认为：项目成果突破了多平台激光雷达数据定量化关键技术，研发了相应的数据处理软件，提高了激光雷达数据处理和应用的定量化水平，星载激光雷达数据质量评价技术填补了国内外空白，研究成果达到国际先进水平。2.同行评价与成果引用（1）运用研制的激光雷达定量化技术制作了我国第一幅全球森林平均高度分布图，空间分辨率和树高估算精度均优于美国NASA同类产品（空间分辨率：0.5kmvs1.1km；RMSE：3.85mvs4.81m），被中国《第三次气候变化国家评估报告》和《遥感监测绿皮书——中国可持续发展遥感监测报告（2016）》采纳。（2）研制的激光雷达建筑物三维建模和“点云魔方”软件应用于中科院国际合作重点项目“吴哥遗产地环境遥感”，实现了柬埔寨吴哥窟茶胶寺的数字化与三维建模，新华社等众多媒体进行了报道，同时得到了联合国教科文组织（UNESCO）、柬埔寨政府的高度评价。（3）项目成果发表在《ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing》、《IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing》等遥感领域顶级学术期刊，其中JCR一区SCI论文37篇，并被国际同行广泛引用，其中JCR一区SCI论文37篇，并被国际同行广泛引用，如“Estimationofwetlandvegetationheightandleafareaindexusingairbornelaserscanningdata”(EcologicalIndicators,2015)已被引用52次。（4）本项目提出的布料滤波算法自2016年6月发表以来，总引用109次，其中SCI引用38次，并被集成于国际经典点云处理软件CloudCompare，以及商品化摄影测量软件3DFZephyr中，C++、Python、R、Matlab等也将该算法纳入其算法库中。（5）森林生物量模型得到国际同行的高度认可和引用，所发表文章（EcologicalIndicators,2016）被ESI高被引论文收录。3.曾获科技奖励情况本项目共获得测绘科技进步一等奖1项，河南省科技进步二等奖2项，测绘科技进步二等奖2项。4.知识产权情况制定行业标准2部，授权国家发明专利18项、实用新型1项、软件著作权35项，出版专著2部，发表论文207篇（其中SCI论文138篇，JCR一区37篇）。应用情况本项目成果已经推广应用到全国27个省市区，在电力巡检、基础测绘与更新、林业调查、数字城市和文物保护等多个行业得到了广泛应用。1）在国家电网完成超过7万千米的高压输电线路数据获取和安全巡线任务。2）在河南、湖南等省市应用，完成了2万公顷的林业资源调查任务。3）在河南、新疆、海南、河北等省市应用，完成了超过2万平方千米的测绘、基础地理信息和20余个煤矿地理矿情数据库建设和更新任务，生产了高精度的DEM、DLG等基础测绘产品。4）在河南、天津、内蒙、海南等省市应用，完成了2000平方千米的城市三维建模。5）在柬埔寨吴哥窟世界文化遗产保护应用，完成了茶胶寺的三维数字化与重建。主要知识产权和标准规范等目录知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态其他星载激光雷达数据处理与应用中国ISBN:97870304317452015.02018894科学出版社王成、习晓环、骆社周、李贵才其他有效知识产权计算机软件著作权基于顶帽变换的机载激光三维点云去噪系统V1.0中国2018SR8896772018.8.2103159584河南理工大学张合兵王宏涛其他有效知识产权行业标准直升机激光扫描输电线路作业技术规程中国DL/T1346-20142015年3月47919-2015国网通用航空有限公司尚大伟、易辉、沈建、刘伟东、汪骏、王和平、武艺、孔令宇其他有效知识产权发明专利直升机电力巡检系统及方法中国ZL201410822334.72017.08.252596581国网通用航空有限公司、北京北科天绘科技有限公司、国家电网公司汪骏、王和平、郭晓冰、沈建、张庆祥、方平凯有效专利发明专利一种基于机载激光雷达点云的电力线三维重建方法中国ZL201510145070.02015.10.122344687中国测绘科学研究院林祥国、张继贤、段敏燕、臧艺有效专利发明专利一种面向对象的机载激光雷达点云滤波方法中国ZL201510920332.62015.10.092244698中国测绘科学研究院林祥国、段敏燕、张继贤有效专利实用新型专利同步获取地物信息的激光扫描多维近距遥感系统中国ZL201820212066.02018.09.287897434北京大学林沂、史振伟、晏磊有效专利其他ArevisedterraincorrectionmethodforforestcanopyheightestimationusingICESat/GLASdata美国ISSN10.15DOI：10.1016/j.isprsjprs.2015.07.008ISPRSJournalofPhotogrammetryandRemoteSensing聂胜、王成，曾鸿程，习晓环，夏少波其他有效知识产权计算机软件著作权基于模板连通算子的主被动遥感数据建筑物区域提取系统V1.0中国2018SR8894282018.1103159531河南理工大学张合兵王宏涛其他有效知识产权其他FusionofairborneLiDARdataandhyperspectralimageryforabovegroundandbelowgroundforestbiomassestimation美国ISSN:1470-160X2017.02DOI:10.1016/j.ecolind.2016.10.001EcologicalIndicators骆社周、王成、习晓环、潘霏霏、彭代亮、邹杰、聂胜、秦海明其他有效知识产权

主要完成人情况姓名王成排名1行政职务室主任技术职称研究员工作单位中国科学院遥感与数字地球研究所完成单位中国科学院遥感与数字地球研究所对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（1）、（2）、（3）、（4）做出贡献。作为项目负责人，组织了该项目的理论方法研究、技术攻关及成果推广应用，主要贡献包括：（1）构建了激光雷达模拟平台，解决了星载激光雷达全波形分解、地形校正、空间外推等技术难题；（2）研制了我国第一幅全球森林高度分布图；（3）针对不同植被类型分布开发相应的算法，解决了激光雷达在茂密森林、湿地植被、农作物等植被参数反演难题。主要完成人情况姓名习晓环排名2行政职务无技术职称副研究员工作单位中国科学院遥感与数字地球研究所完成单位中国科学院遥感与数字地球研究所对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（1）、（2）、（3）做出贡献。主要贡献包括：（1）构建了星载、机载、地面激光雷达植被参数反演模型；（2）反演方法与模型研究，以及星载激光雷达与光学影像融合、地面激光雷达文化遗产保护等，解决了星载激光雷达与多源数据融合、大型文化遗产数字化重建与保护等技术难题。

主要完成人情况姓名张合兵排名3行政职务副院长技术职称教授工作单位河南理工大学完成单位河南理工大学对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（2）、（3）、（4）做出贡献。主要贡献包括：（1）提出了基于顶帽变换的机载激光三维点云去噪算法和建筑物自动提取算法；（2）参与提出了基于星载GLAS数据的森林冠层高度反演模型；（3）组织实施了项目研究成果在林业资源调查以及电力巡线的行业应用，为项目研究成果完善和技术改进提供了支撑。主要完成人情况姓名王和平排名4行政职务无技术职称高级工程师工作单位国网通用航空有限公司完成单位国网通用航空有限公司对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（2）、（4）做出贡献。主要贡献包括：（1）负责开发机载激光雷达电力巡检与预警系统，解决了电力线三维精细建模、危险点精准检测与预警分析等技术难题；（2）组织实施研究成果在国家电网系统进行推广应用。

主要完成人情况姓名林祥国排名5行政职务无技术职称副研究员工作单位中国测绘科学研究院完成单位中国测绘科学研究院对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（3）做出贡献。主要贡献包括：（1）提出了机载激光雷达点云分类算法，显著提高了危险点检测效率；（2）提出了分裂导线精细三维重建方法，提高了电力线三维建模与危险点精准检测的精度。主要完成人情况姓名林沂排名6行政职务无技术职称研究员工作单位北京大学完成单位北京大学对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（2）、（3）做出贡献。提出并开发了移动式地面三维植物结构表型分析系统M3PSP，完成了激光雷达植被参数反演研究。

主要完成人情况姓名张吴明排名7行政职务无技术职称教授工作单位北京师范大学完成单位北京师范大学对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新（2）做出贡献。创新性提出了布料模拟点云滤波（CSF）算法，并被集成于点云魔方及激光雷达电力巡检软件系统中。主要完成人情况姓名张晓丽排名8行政职务无技术职称教授工作单位北京林业大学完成单位北京林业大学对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新的（2）、（3）做出贡献。合作提出了10个机载激光雷达植被结构和生理参数反演模型，并在北京、内蒙等林区开展了推广应用。

主要完成人情况姓名聂胜排名9行政职务无技术职称助理研究员工作单位中国科学院遥感与数字地球研究所完成单位中国科学院遥感与数字地球研究所对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新的（1）、（3）做出贡献。提出了星载大光斑激光雷达数据质量评价方法；针对星载、机载激光雷达数据，构建了植被结构和生理参数反演模型，解决了复杂地形、茂密植被、低矮植被等条件下的植被参数反演难题。

主要完成人情况王宏涛王宏涛王宏涛10无无无讲师工作单位河南理工大学完成单位河南理工大学对本项目技术创造性贡献：对主要技术创新的（2）做出贡献。提出了机载激光雷达点云与数字航空影像融合的建筑物三维建模算法；参与研制了基于顶帽变换的机载激光三维点云去噪软件和建筑物自动提取系统。

主要完成单位情况单位名称河南理工大学排名1创新推广贡献：项目第一完成单位，负责项目的组织实施和成果应用推广工作，主要贡献为：（1）联合中国科学院遥感与数字地球研究所，率先开展激光雷达成像机理-数据处理-行业应用全链路过程定量化研究；（2）主持开展了激光雷达典型地物目标提取算法研究，制定了机载激光雷达建筑物三维建模和电力巡线技术实施方案和质量控制体系；（3）结合行业和地方需求，先后采用项目关键技术完成了河南等省份的电力巡线工作和林业资源调查工作，并在生态环境保护、数字城市建设以及文化遗产保护等领域积极进行项目成果的推广应用。主要完成单位情况单位名称中国科学院遥感与数字地球研究所排名2创新推广贡献：项目第二完成单位，主要贡献为：（1）完成了激光雷达成像机理，激光雷达数据处理的理论研究与算法实现；（2）融合激光雷达与多源遥感数据，构建了森林植被、湿地植被以及农作物等高度、LAI、fPAR、生物量定量反演模型，制作了我国首幅全球森林高度图；（3）主持开发了激光雷达电力巡线软件；（4）开展国际合作，实现了吴哥窟茶胶寺的数字化与三维建模。主要完成单位情况单位名称国网通用航空有限公司排名3创新推广贡献：项目第三完成单位，主要贡献为：（1）提出了电力线路危险点检测理论与方法，与中国科学院遥感与数字地球研究所合作开发了激光雷达电力巡线软件；（2）研发了架空输电线路的激光雷达数据获取系统；（3）负责研究成果的推广应用，组织完成了国家电网超过7万千米的输电线路巡线任务。主要完成单位情况单位名称中国测绘科学研究院排名4创新推广贡献：项目第四完成单位，主要贡献为：（1）提出了激光雷达定量化应用数据处理算法和电力要素三维建模方法；（2）基于星载激光雷达数据，制作了全球控制点数据库，完成了无人区基础测绘工作。主要完成单位情况单位名称北京大学排名5创新推广贡献：项目第五完成单位，构建了激光雷达植被参数反演模型，研发了移动式地面三维植物结构表型分析系统M3PSP，实现了复杂地形条件下的植被结构参数定量化反演。主要完成单位情况单位名称北京师范大学排名6创新推广贡献：项目第六完成单位，提出了点云与影像融合的建筑物三维建模方法，开发了基于布料模拟的激光雷达点云滤波算法。单位名称北京林业大学排名7创新推广贡献：项目第七完成单位，合作申请并完成了科技部重大仪器研制专项：机载双频激光雷达产品开发和应用（2013YQ120343）；完成了机载激光雷达森林植被结构和生理参数反演模型，并在北京、内蒙等林区开展了推广应用。完成人合作关系说明本项目由河南理工大学、中国科学院遥感与数字地球研究所、国网通用航空有限公司、北京大学、北京师范大学、北京林业大学等7家单位合作完成。在项目实施过程中，各主要完成人分工合作，分别做出了各自的贡献。完成人合作关系说明如下：第1完成人王成为我国激光雷达遥感领域的学术带头人，现任国际数字地球学会中国国家委员会委员、激光雷达专业委员会主任。负责制定本项目总体技术方案，对项目成果和项目团队建设作出了突出贡献。与第2（习晓环）、9（聂胜）完成人合作开展了激光雷达模拟平台、植被参数反演模型研究，以及星载激光雷达数据处理软件研制；与第4（王和平）、5（林祥国）完成人合作开展了机载激光雷达电力巡线关键技术与三维建模研究；与第2、6（林沂）、7（张吴明）、10（王宏涛）等合作完成系列植被参数反演算法和建筑物三维模型重建；与第8完成人（张晓丽）完成了机载激光雷达森林植被结构和生理参数反演模型，并进行了推广应用。第2完成人习晓环与第4、7等完成人合作开展了地面激光点云数据处理算法研究并应用于文化遗产数字化保护，与1、6、9完成人共同完成了系列植被参数反演模型构建，与9、10完成人合作申请并完成了3项国家自然科学基金以及2项高分专项等项目。第3完成人张合兵与第1、2、10完成人合作开展了激光雷达建筑物三维建模技术研究，并共同完成了移动激光点云数据的噪声滤除研究。第4完成人王和平与第1、2、9完成人在激光雷达电力巡线方面开展了长期的合作，合作开发了激光雷达电力巡线软件，并将激光雷达推广到国网、贵州电网等业务化巡线中。第5完成人林祥国与第1、2、4、7、9完成人合作开展了输电线机载激光点云处理技术研究，并合作开发了机载激光雷达数据处理软件。第6完成人林沂和第1完成人合作创新设计了一套移动式地面三维植物结构表型分析系统M3PSP，完成了激光雷达植被参数反演研究。第7完成人张吴明与第1、2、10完成人开展了激光数据滤波算法、激光雷达数据处理软件开发。第8完成人张晓丽与第1、2完成人合作申请了科技部重大仪器研制专项项目，并完成了机载激光雷达森林植被结构和生理参数反演模型及其推广应用第9完成人聂胜曾在第1完成人指导下攻读博士学位，合作完成了