激光雷達(dá)遙感技術(shù)簡(jiǎn)介

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化 · 發(fā)表于 6 天前

引言
激光雷達(dá)（LiDAR，Light Detection and Ranging）技術(shù)已成為三維空間數(shù)據(jù)采集和分析的重要工具。本文介紹激光雷達(dá)技術(shù)、系統(tǒng)組成及應(yīng)用領(lǐng)域[1]。激光雷達(dá)的基礎(chǔ)源于愛因斯坦1916年發(fā)現(xiàn)的受激發(fā)射現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)光子通過物質(zhì)時(shí)能夠激發(fā)產(chǎn)生更多光子。激光雷達(dá)技術(shù)結(jié)合了激光技術(shù)和光電探測(cè)技術(shù)，用于測(cè)量距離并創(chuàng)建物體和環(huán)境的三維表示。

圖1：不同平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)的特性。此圖展示了從地基到機(jī)載再到星載系統(tǒng)，隨著平臺(tái)高度增加，空間分辨率、采樣頻率和觀測(cè)尺度如何變化。

圖2：激光雷達(dá)系統(tǒng)在不同平臺(tái)上的組成概覽。該圖展示了星載、機(jī)載和地基激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件和關(guān)系，突出顯示了各類平臺(tái)如何集成不同子系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集和處理。

圖3：機(jī)載激光掃描系統(tǒng)的詳細(xì)組成。該圖展示了激光掃描儀、GNSS、INS和監(jiān)控系統(tǒng)組件之間的集成和交互，說明這些元素如何協(xié)同工作以采集和處理激光雷達(dá)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)組成與運(yùn)行原理
典型的激光雷達(dá)系統(tǒng)包含四個(gè)主要組成部分：

1. 激光掃描系統(tǒng)包括激光測(cè)距單元和機(jī)械掃描裝置，激光測(cè)距單元發(fā)射并接收激光信號(hào)以確定距離、回波次數(shù)和強(qiáng)度。
2. 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供精確的定位和時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確地理參考。
3. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）測(cè)量激光發(fā)射時(shí)刻的姿態(tài)信息，包括俯仰角、橫滾角和航向角。
4. 監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)調(diào)所有組件的工作并管理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

激光雷達(dá)分類與類型
激光雷達(dá)系統(tǒng)可根據(jù)多個(gè)特征進(jìn)行分類:

按照搭載平臺(tái)可分為星載、機(jī)載和地基系統(tǒng);

按照測(cè)距模式可分為脈沖式和相位式激光雷達(dá);

按照激光介質(zhì)可分為氣體和固態(tài)激光雷達(dá)。
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按照足跡大小，可分為大足跡（直徑超過10米）和小足跡（厘米或毫米級(jí)）激光雷達(dá)。例如，美國NASA的GLAS系統(tǒng)足跡直徑為70米，而中國高分七號(hào)衛(wèi)星激光高度計(jì)的足跡直徑為17米。

按照探測(cè)和記錄方式，包括離散回波、全波形和光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)。離散回波激光雷達(dá)在商業(yè)應(yīng)用中最為普及，如建筑三維重建和數(shù)字城市建設(shè)。全波形激光雷達(dá)提供更詳細(xì)的垂直剖面信息，而光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)則在使用最小激光能量的情況下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)探測(cè)。

數(shù)據(jù)格式與處理
激光雷達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)使用多種格式:

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1. LAS/LAZ格式由美國攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)（ASPRS）管理，是最廣泛使用的格式，其中LAZ是壓縮版本。該格式包括文件頭、可變長(zhǎng)度記錄、點(diǎn)數(shù)據(jù)記錄和可選的擴(kuò)展可變長(zhǎng)度記錄。點(diǎn)數(shù)據(jù)包含三維坐標(biāo)及強(qiáng)度、回波次數(shù)、分類等屬性。

2. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)（PCD）格式與點(diǎn)云庫配合使用，支持n維點(diǎn)類型擴(kuò)展。徠卡掃描儀使用PTS/PTX格式存儲(chǔ)單次掃描信息。PLY和OFF等模型文件格式可同時(shí)存儲(chǔ)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系。XYZ、ASC、NEU和CSV等ASCII格式為簡(jiǎn)單應(yīng)用提供基本數(shù)據(jù)存儲(chǔ)選項(xiàng)。

應(yīng)用領(lǐng)域
激光雷達(dá)技術(shù)在眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用:

地形測(cè)繪方面，可生成高精度數(shù)字高程模型和測(cè)繪控制點(diǎn)。在森林資源調(diào)查中，激光雷達(dá)能夠穿透林冠間隙，同時(shí)獲取詳細(xì)的冠層結(jié)構(gòu)和下層地形信息，準(zhǔn)確測(cè)量樹高、生物量、冠幅和葉面積指數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。在光學(xué)遙感難以準(zhǔn)確反演高覆蓋度森林葉面積指數(shù)的情況下，激光雷達(dá)技術(shù)提供了更準(zhǔn)確的解決方案。

在城市環(huán)境中，激光雷達(dá)通過對(duì)建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的多角度、全方位快速掃描，創(chuàng)建精細(xì)的三維城市模型。這些模型可在線發(fā)布，實(shí)現(xiàn)城市場(chǎng)景的實(shí)時(shí)交互式展示。

在電力行業(yè)，激光雷達(dá)用于輸電線路規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化和隱患檢測(cè)。系統(tǒng)可精確測(cè)量輸電線位置，分析電線與植被、地面特征之間的安全距離。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，激光雷達(dá)可估算作物高度、葉面積指數(shù)和生物量等參數(shù)。

在文化遺產(chǎn)保護(hù)方面，激光雷達(dá)為歷史遺跡、文物和考古發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建精確的三維記錄。

該技術(shù)在交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃中發(fā)揮重要作用，特別是在道路設(shè)計(jì)和隧道施工監(jiān)測(cè)方面。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，激光雷達(dá)提供環(huán)境感知能力，通過創(chuàng)建周圍環(huán)境的詳細(xì)三維地圖輔助車輛導(dǎo)航。

在采礦作業(yè)中，該技術(shù)可對(duì)露天礦進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，跟蹤邊坡穩(wěn)定性，測(cè)量礦體變形。

在水文測(cè)量方面，激光雷達(dá)可用于近海地形測(cè)繪、河流測(cè)量、洪水評(píng)估和大壩變形監(jiān)測(cè)。藍(lán)色或綠色激光可穿透一定深度的水體，獲取水下地形和水質(zhì)信息，在近海和內(nèi)陸河湖的水下地形測(cè)繪和水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用。

安全考慮
激光雷達(dá)系統(tǒng)的安全等級(jí)取決于對(duì)人眼和皮膚的潛在風(fēng)險(xiǎn)。最大允許照射量（MPE）決定激光安全等級(jí)，考慮因素包括波長(zhǎng)、輸出功率、脈沖持續(xù)時(shí)間和照射時(shí)間。

I類激光對(duì)人眼安全，適用于激光演示、顯示、測(cè)繪等；

II類激光直視可能導(dǎo)致眩暈；

III類激光具有一定危險(xiǎn)性，需要避免直接照射眼睛；

IV類激光具有嚴(yán)重危險(xiǎn)，主要用于工業(yè)切割、焊接等應(yīng)用。
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未來發(fā)展方向
激光雷達(dá)技術(shù)在多個(gè)方面持續(xù)進(jìn)步。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集速度、分辨率和精度方面不斷提升。小型化趨勢(shì)促使系統(tǒng)變得更輕巧，適用于更多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。與其他傳感技術(shù)的集成擴(kuò)展了激光雷達(dá)系統(tǒng)的功能，同時(shí)數(shù)據(jù)處理算法的改進(jìn)提高了分析效率。

星載激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展持續(xù)推進(jìn)，多個(gè)國家啟動(dòng)新的任務(wù)用于全球高程測(cè)繪、森林監(jiān)測(cè)和行星探測(cè)。以中國為例，近年來在星載激光雷達(dá)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，包括高分七號(hào)衛(wèi)星激光高度計(jì)和用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星項(xiàng)目。

此外，隨著無人機(jī)技術(shù)的普及，輕型小型化的激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展迅速。例如，奧地利Riegl公司2014年發(fā)布的VUX-1掃描儀，重量?jī)H3.6千克，是全球首款輕型小型無人機(jī)激光雷達(dá)。日本北陽公司推出的多款系統(tǒng)重量均不到1千克。這些發(fā)展為激光雷達(dá)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的機(jī)遇。

伴隨著激光雷達(dá)硬件的進(jìn)步，數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)也在不斷革新，包括人工智能算法在點(diǎn)云分類、特征提取和場(chǎng)景理解中的應(yīng)用。這些技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)激光雷達(dá)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化和擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)
[1] C. Wang, X. Yang, X. Xi, S. Nie, and P. Dong, Introduction to LiDAR Remote Sensing. Boca Raton, FL: CRC Press, 2024.

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