激光雷達遙感技術(shù)簡介

逍遙設(shè)計自動化

引言
激光雷達（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。本文介紹激光雷達技術(shù)、系統(tǒng)組成及應(yīng)用領(lǐng)域[1]。激光雷達的基礎(chǔ)源于愛因斯坦1916年發(fā)現(xiàn)的受激發(fā)射現(xiàn)象：當一個光子通過物質(zhì)時能夠激發(fā)產(chǎn)生更多光子。激光雷達技術(shù)結(jié)合了激光技術(shù)和光電探測技術(shù)，用于測量距離并創(chuàng)建物體和環(huán)境的三維表示。
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圖1：不同平臺激光雷達系統(tǒng)的特性。此圖展示了從地基到機載再到星載系統(tǒng)，隨著平臺高度增加，空間分辨率、采樣頻率和觀測尺度如何變化。
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圖2：激光雷達系統(tǒng)在不同平臺上的組成概覽。該圖展示了星載、機載和地基激光雷達系統(tǒng)的關(guān)鍵組件和關(guān)系，突出顯示了各類平臺如何集成不同子系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)采集和處理。


圖3：機載激光掃描系統(tǒng)的詳細組成。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數(shù)據(jù)。
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系統(tǒng)組成與運行原理
# O5 d, W% y% W3 X. J0 Z! u典型的激光雷達系統(tǒng)包含四個主要組成部分：
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! B0 J9 a' N) U& E( j4 K1. 激光掃描系統(tǒng)包括激光測距單元和機械掃描裝置，激光測距單元發(fā)射并接收激光信號以確定距離、回波次數(shù)和強度。
2. 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供精確的定位和時間信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確地理參考。
9 O: g, ^% {4 u3. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）測量激光發(fā)射時刻的姿態(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。
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* _4 v4 X. C: ?激光雷達分類與類型
激光雷達系統(tǒng)可根據(jù)多個特征進行分類:

按照搭載平臺可分為星載、機載和地基系統(tǒng);

按照測距模式可分為脈沖式和相位式激光雷達;

按照激光介質(zhì)可分為氣體和固態(tài)激光雷達。
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" L3 f- ?2 }& K2 K# d; f* W* v) G6 K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）激光雷達。例如，美國NASA的GLAS系統(tǒng)足跡直徑為70米，而中國高分七號衛(wèi)星激光高度計的足跡直徑為17米。
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" D4 W, d' P2 o$ U1 ~% Q2 ~$ Y, ?按照探測和記錄方式，包括離散回波、全波形和光子計數(shù)激光雷達。離散回波激光雷達在商業(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)。全波形激光雷達提供更詳細的垂直剖面信息，而光子計數(shù)激光雷達則在使用最小激光能量的情況下實現(xiàn)遠距離空間目標探測。
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數(shù)據(jù)格式與處理
3 N8 w* I; F5 u+ t激光雷達數(shù)據(jù)存儲使用多種格式:
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1. LAS/LAZ格式由美國攝影測量與遙感學(xué)會（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、可變長度記錄、點數(shù)據(jù)記錄和可選的擴展可變長度記錄。點數(shù)據(jù)包含三維坐標及強度、回波次數(shù)、分類等屬性。
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2. 點云數(shù)據(jù)（PCD）格式與點云庫配合使用，支持n維點類型擴展。徠卡掃描儀使用PTS/PTX格式存儲單次掃描信息。PLY和OFF等模型文件格式可同時存儲點云數(shù)據(jù)和拓撲關(guān)系。XYZ、ASC、NEU和CSV等ASCII格式為簡單應(yīng)用提供基本數(shù)據(jù)存儲選項。
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# ]# T) f  E- G$ W" ?4 o應(yīng)用領(lǐng)域
激光雷達技術(shù)在眾多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用:

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地形測繪方面，可生成高精度數(shù)字高程模型和測繪控制點。在森林資源調(diào)查中，激光雷達能夠穿透林冠間隙，同時獲取詳細的冠層結(jié)構(gòu)和下層地形信息，準確測量樹高、生物量、冠幅和葉面積指數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。在光學(xué)遙感難以準確反演高覆蓋度森林葉面積指數(shù)的情況下，激光雷達技術(shù)提供了更準確的解決方案。
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在城市環(huán)境中，激光雷達通過對建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的多角度、全方位快速掃描，創(chuàng)建精細的三維城市模型。這些模型可在線發(fā)布，實現(xiàn)城市場景的實時交互式展示。
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在電力行業(yè)，激光雷達用于輸電線路規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化和隱患檢測。系統(tǒng)可精確測量輸電線位置，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，激光雷達可估算作物高度、葉面積指數(shù)和生物量等參數(shù)。
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在文化遺產(chǎn)保護方面，激光雷達為歷史遺跡、文物和考古發(fā)現(xiàn)創(chuàng)建精確的三維記錄。
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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)計和隧道施工監(jiān)測方面。

在自動駕駛領(lǐng)域，激光雷達提供環(huán)境感知能力，通過創(chuàng)建周圍環(huán)境的詳細三維地圖輔助車輛導(dǎo)航。
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在采礦作業(yè)中，該技術(shù)可對露天礦進行全面監(jiān)測，跟蹤邊坡穩(wěn)定性，測量礦體變形。
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在水文測量方面，激光雷達可用于近海地形測繪、河流測量、洪水評估和大壩變形監(jiān)測。藍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繪和水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮作用。
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安全考慮
激光雷達系統(tǒng)的安全等級取決于對人眼和皮膚的潛在風(fēng)險。最大允許照射量（MPE）決定激光安全等級，考慮因素包括波長、輸出功率、脈沖持續(xù)時間和照射時間。

I類激光對人眼安全，適用于激光演示、顯示、測繪等；

II類激光直視可能導(dǎo)致眩暈；

III類激光具有一定危險性，需要避免直接照射眼睛；

IV類激光具有嚴重危險，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
. ], g) u4 q& v& w& ^激光雷達技術(shù)在多個方面持續(xù)進步。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集速度、分辨率和精度方面不斷提升。小型化趨勢促使系統(tǒng)變得更輕巧，適用于更多樣化的應(yīng)用場景。與其他傳感技術(shù)的集成擴展了激光雷達系統(tǒng)的功能，同時數(shù)據(jù)處理算法的改進提高了分析效率。
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" @0 L) v$ _& k3 t星載激光雷達系統(tǒng)的發(fā)展持續(xù)推進，多個國家啟動新的任務(wù)用于全球高程測繪、森林監(jiān)測和行星探測。以中國為例，近年來在星載激光雷達領(lǐng)域取得顯著進展，包括高分七號衛(wèi)星激光高度計和用于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測的衛(wèi)星項目。
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1 b6 v* M% ]9 g. J: {4 {7 v此外，隨著無人機技術(shù)的普及，輕型小型化的激光雷達系統(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，重量僅3.6千克，是全球首款輕型小型無人機激光雷達。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)展為激光雷達在更多領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的機遇。
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( d. w7 T# L+ f8 D8 x伴隨著激光雷達硬件的進步，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云分類、特征提取和場景理解中的應(yīng)用。這些技術(shù)進步推動激光雷達在各個領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化和擴展。

參考文獻
[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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