激光雷達(dá)遙感技術(shù)簡介

逍遙設(shè)計自動化

引言
2 A; _& x1 j4 ^9 @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)一個光子通過物質(zhì)時能夠激發(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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, z4 B- q9 t3 H& D圖1：不同平臺激光雷達(dá)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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& }! ]1 |, P' b4 S5 m7 T# i圖2：激光雷達(dá)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(dá)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。
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: y3 A$ W& v9 K2 n) t圖3：機載激光掃描系統(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)。
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系統(tǒng)組成與運行原理
典型的激光雷達(dá)系統(tǒng)包含四個主要組成部分：
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1. 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(zhǔn)確地理參考。
( d, |0 ~) p. R* Z3. 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。
  Z4 ]4 T0 R9 q7 }! u4. 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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, ~  x! f  [5 u; z激光雷達(dá)分類與類型
激光雷達(dá)系統(tǒng)可根據(jù)多個特征進(jìn)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(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）激光雷達(dá)。例如，美國NASA的GLAS系統(tǒng)足跡直徑為70米，而中國高分七號衛(wèi)星激光高度計的足跡直徑為17米。
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4 B6 ]; G3 F6 W) K% A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(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，而光子計數(shù)激光雷達(dá)則在使用最小激光能量的情況下實現(xiàn)遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)探測。
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數(shù)據(jù)格式與處理
9 ?. M% y2 B, x) A) [: I激光雷達(dá)數(shù)據(jù)存儲使用多種格式:

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) h  y1 i2 [/ b8 a- Z, Z4 i7 _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(biāo)及強度、回波次數(shù)、分類等屬性。
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, ^' a4 W: [6 P4 Y2. 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?fù)潢P(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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應(yīng)用領(lǐng)域
! R% D2 e2 A8 k# O& B; O4 \- X, y3 x. B激光雷達(dá)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(dá)能夠穿透林冠間隙，同時獲取詳細(xì)的冠層結(jié)構(gòu)和下層地形信息，準(zhǔn)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(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，實現(xiàn)城市場景的實時交互式展示。

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

在水文測量方面，激光雷達(dá)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(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繪和水質(zhì)監(jiān)測中發(fā)揮作用。

安全考慮
激光雷達(dá)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(yán)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
激光雷達(dá)技術(shù)在多個方面持續(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(dá)系統(tǒng)的功能，同時數(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(dá)領(lǐng)域取得顯著進(jìn)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。

6 M3 C0 g4 H$ |此外，隨著無人機技術(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，重量僅3.6千克，是全球首款輕型小型無人機激光雷達(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)用提供了新的機遇。
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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云分類、特征提取和場景理解中的應(yīng)用。這些技術(shù)進(jìn)步推動激光雷達(dá)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深化和擴展。
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  U# b9 b/ I& r2 a7 x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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9 \6 [. b' p  a( t深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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