點是描述地理空間的最小單元，世間萬物都可以通過一系列具有三維坐標和屬性的點來刻畫，形成我們?nèi)庋鬯姷氖澜?。二維的點集可以形成圖像和照片，三維的點集則可以逼真地還原我們所處的三維空間，形成數(shù)字城市、數(shù)字地球等，產(chǎn)生讓人們猶如置身其中的沉浸式體驗。

這些點是怎么獲取、又是怎樣具有時空信息的呢？這就離不開為我們精準感知世界提供“慧眼”的激光雷達。那么，什么是激光雷達，它是如何工作來獲取萬物之點呢？

什么是激光？

“激光”來自英文“LASER”，也有譯為“鐳射”，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radation的縮寫，即受激輻射的光放大。1916年愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了激光的原理——原子受激輻射的光，即原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級（受激吸收）、再從高能級回落到低能級時所釋放的能量以放大了的光子形式發(fā)出（受激輻射），這個被放大的光就是激光。1964年我國科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激輻射”改為“激光”。

一提到激光，很多人會想到激光武器、激光手術(shù)、激光焊接和切割等，似乎激光是一種對人體具有極大殺傷力的光。其實，激光也分等級，功率越低對人眼越安全，因此人們利用低功率激光生產(chǎn)激光電視、進行激光雷達測繪等。本文主要介紹對地觀測激光雷達的相關(guān)知識。

什么是激光雷達？

激光雷達，英文為Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR，即光探測與測距。光探測首先需要一個激光源，即激光器發(fā)射高頻率激光脈沖到被測物的表面；其次是接收系統(tǒng)，即接收物體表面反射的激光脈沖并對回波進行處理，一般由望遠鏡和各種光電探測器組成，通過測量激光發(fā)射到接收經(jīng)過的時間，結(jié)合光速即可計算出被測物體相對于探測器的距離。

激光雷達怎么獲取點的空間位置及幾何信息呢？這就需要全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GNSS）來提供地球表面或近地空間任何地點的三維坐標和時間信息，如我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）、美國的GPS等，以及監(jiān)測搭載激光雷達系統(tǒng)平臺姿態(tài)的慣性測量系統(tǒng)（Inertial Measurement Unit，簡稱IMU）。GNSS和IMU集成為導(dǎo)航定位定向系統(tǒng)（Position and Orientation System, POS），提供激光雷達系統(tǒng)的空間位置和姿態(tài)信息?？梢?，激光雷達集激光器系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)于一身（圖1），是當前直接快速獲取探測目標空間位置及其幾何信息的最有效手段之一。

圖1機載激光雷達系統(tǒng)組成

激光雷達如何工作？

激光雷達名字高大上，工作原理卻很簡單。激光器向目標物發(fā)射一束很窄的激光脈沖，部分脈沖在地物表面被反射后由接收器接收，系統(tǒng)通過記錄激光脈沖從發(fā)射到返回的時間間隔t（Time of Flight, TOF）來計算激光器和目標之間的距離R，R=?·c·t（c為光在空氣中的傳播速度）。利用距離R和掃描角，結(jié)合POS系統(tǒng)測量的激光雷達系統(tǒng)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過坐標解算即可得到被測物及周圍環(huán)境各點在地理空間參考下的三維坐標，這些帶有xyz坐標的點在三維空間呈離散分布，人們形象地稱為“點云”（圖2），可在點云數(shù)據(jù)處理軟件（如點云魔方等）進行三維顯示、量測、建模以及多行業(yè)應(yīng)用等。

圖2 原始點云數(shù)據(jù)按高程顯示

常見的激光雷達有哪些？

激光雷達種類很多，按照不同分類方法介紹如下：

（1）按照搭載平臺可分為星載、機載和地基激光雷達（圖3）。其中星載激光雷達主要以衛(wèi)星、航天飛機、空間站等為平臺，觀測范圍和應(yīng)用尺度廣，多用于科學(xué)研究，如美國的ICESat、ICESat-2和我國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳衛(wèi)星“句芒號”；機載主要以固定翼飛機、直升機、無人機等為平臺，適合長距離線狀地物三維信息獲?。坏鼗ㄈ_架、車載、背包、手持以及船載等，特點是獲取數(shù)據(jù)全面、方式靈活。

圖3 不同平臺激光雷達系統(tǒng)

（2）按照測距模式可分為脈沖式和相位式激光雷達。前者利用激光脈沖在發(fā)射和接收信號之間往返傳播的時間差進行測量，直接、測量距離長。相位式是一種間接方式，利用電波頻率對激光波束進行幅度調(diào)制，測定調(diào)制光往返觀測目標一次所產(chǎn)生的相位延遲，根據(jù)波長計算該延遲所代表的距離，測距相對較短，但脈沖頻率和獲取的點精度更高。

（3）按照光斑大小可分為大光斑和小光斑激光雷達，前者光斑直徑通常超過10m，目前主要是指星載激光雷達系統(tǒng)，如美國ICESat/GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）光斑直徑約70m、我國高分七號獲取的光斑直徑約17m，缺點是點密度低、無法成像，但可獲取全球范圍的數(shù)據(jù)，在大尺度地學(xué)應(yīng)用方面有優(yōu)勢。小光斑激光雷達光斑直徑為厘米甚至毫米級，點密度和精度高，通?？梢猿上瘢饕笝C載和地基激光雷達系統(tǒng)。

（4）按照探測與記錄方式可分為離散點云、全波形和光子計數(shù)激光雷達。離散激光雷達最為普遍，商業(yè)化應(yīng)用廣泛，如數(shù)字城市中的建筑物三維重建、文化遺產(chǎn)數(shù)字化和重建等。全波形激光雷達對回波進行連續(xù)采樣，記錄信息更為精細，能獲取目標完整的垂直剖面信息，廣泛應(yīng)用于林業(yè)調(diào)查，如ICESat/GLAS、GEDI以及部分地基/機載LiDAR等。光子計數(shù)激光雷達不同于前兩者，采用微脈沖激光器和高靈敏度光子探測器，將回波信號（單光子級別）計數(shù)為光子點，優(yōu)點是利用較低的激光能量獲取遠距離空間目標信息，如目前在軌的ICESat-2/ATLAS。

圖4全波形LiDAR工作示意圖

激光雷達有什么優(yōu)缺點？

激光雷達優(yōu)點很多，相對于被動光學(xué)遙感，首先它主動發(fā)射激光脈沖，可以在夜間工作；其次獲取三維信息直接快速，高頻率激光脈沖具有一定穿透性，可以穿透森林冠層到達林下，獲取林下地形信息，用于林業(yè)調(diào)查、密林考古等；此外藍綠激光（通常采用532nm波長）還可以穿透一定深度的水體，獲取水下地形及水質(zhì)情況，用于島礁水深測量、近岸水下考古等。

雖然激光雷達有很多優(yōu)點，但在大雨、濃霧、濃煙等環(huán)境下系統(tǒng)發(fā)射的脈沖會急劇衰減，導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降或者數(shù)據(jù)缺失。同時激光點云離散分布，目前以單波長激光雷達系統(tǒng)為主，在光譜和紋理信息獲取方面比傳統(tǒng)的被動光學(xué)影像稍遜色。

激光雷達能干啥？

激光雷達的應(yīng)用非常廣泛，如基礎(chǔ)測繪、林業(yè)調(diào)查、無人駕駛、室內(nèi)建模、數(shù)字城市、電力巡檢、交通選線、文化遺產(chǎn)保護等，在極地冰蓋、海洋、陸地，大氣層、月球、火星表面測繪中，都有激光雷達的身影。

（1）基礎(chǔ)測繪：星載激光雷達可獲取亞米級高程信息，為制作全球、月球表面高精度控制點提供支持。機載激光雷達獲取的高密度點云經(jīng)過處理，可生成數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）、等高線等，為其他應(yīng)用提供基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)。

（2）林業(yè)調(diào)查：激光雷達可以獲取植被冠層高密度點云，高頻率激光脈沖可穿透植被冠層到達地面，不僅可獲取精細的冠層垂直結(jié)構(gòu)信息，還可得到林下地形信息，進而提取樹高、冠幅、葉面積指數(shù)、生物量等，為森林碳匯模型提供輸入。

（3）數(shù)字城市：機載、車載激光雷達可快速獲取城市中各種構(gòu)筑物及周圍環(huán)境完整的三維點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建的三維數(shù)字模型可置于網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)數(shù)字化管理及交互呈現(xiàn)，讓用戶有沉浸式體驗，這也是當前“實景三維中國”的重要內(nèi)容。

（4）數(shù)字電網(wǎng)：激光雷達可在線路設(shè)計、電力設(shè)施數(shù)字化、危險點檢測、預(yù)警分析、變電站數(shù)字化與管理等方面發(fā)揮作用，如線路安全巡檢中，基于三維點云可精確探測電力線、電力塔的空間位置及其與線下地表面、植被的空間距離，進行電力線與地物、電力線檔距、線下植被的安全距離分析，還可結(jié)合桿塔上的溫度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)，模擬不同工況下電力線弧垂變化等。

（5）文化遺產(chǎn)數(shù)字化與保護：激光雷達獲取遺產(chǎn)本體高精度高密度點云，結(jié)合其攜帶的高分辨率數(shù)碼相機獲取遺產(chǎn)特征信息，構(gòu)建真三維數(shù)字模型，進行數(shù)字化展示與保存；還可對考古現(xiàn)場進行數(shù)字化記錄、對出土文物進行量測和數(shù)字修復(fù)等；在密林考古中獲取林下地形信息，結(jié)合歷史資料分析古遺址古環(huán)境等。

（6）無人駕駛：安裝了激光雷達的無人車在行駛中，激光脈沖遇到障礙物后會返回，系統(tǒng)計算與目標間的相對距離，幫助汽車自主感知道路環(huán)境和避障。同時激光雷達可以準確測量視場中物體輪廓邊緣與車身的相對距離，并通過三維建模繪制3D高精地圖，為無人車“開路”。

（7）交通線路規(guī)劃：激光雷達不同于單點定位方式，通過掃描獲取的高密度高精度點云可提供公路全景三維數(shù)字模型。鐵路隧道施工中可利用激光雷達進行斷面圖生產(chǎn)，爆破面積與體積、開挖土方量計算，開挖隧道壁的平整度分析、超欠挖、隧道掘進方向檢校等。

（8）礦山監(jiān)測：礦山特別是露天礦的開采規(guī)模和深度不斷擴大，給礦區(qū)邊坡、土體等穩(wěn)定性帶來威脅。激光雷達將點測量擴展到面測量，深入復(fù)雜環(huán)境中直接獲取這些大型、復(fù)雜實體的完整三維空間數(shù)據(jù)，并快速重構(gòu)目標的三維模型，通過多時相監(jiān)測獲取礦體的變形信息，為礦區(qū)安全監(jiān)測提供支持。

（9）近岸水深與水底地形測量：532nm波長的激光脈沖（藍綠激光）可以穿透一定深度的水體獲取水深及水底地形信息，成為海岸線變化監(jiān)測、湖泊水位測量、水下考古等的重要技術(shù)手段。

除了上述應(yīng)用，激光雷達還可用于極地冰蓋、高原冰川高度及消融變化監(jiān)測、高鐵/地鐵軌道變形監(jiān)測、農(nóng)作物長勢和估算產(chǎn)量、交通事故數(shù)字化記錄等。有“冰絲帶”之稱和“最快的冰、最平的冰”的國家速滑館，即采用了精度優(yōu)于2mm的高精度三維激光掃描技術(shù)輔助冰場地下制冰排管的精確安裝。

未來的激光雷達

未來的激光雷達可從激光雷達硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用方面來分析。

當前商業(yè)化激光雷達系統(tǒng)研制已進入爆發(fā)期，各種性能的激光雷達呈百花齊放的態(tài)勢。總體來說，激光雷達系統(tǒng)趨向于高性能、低成本、輕小型化，具有更高的測距精度、更大的掃描范圍、更快的掃描頻率、更窄的光束發(fā)散角和更遠的測量距離。自帶激光掃描頭的手機等使激光雷達進入消費級市場。同時，高光譜/多光譜激光雷達的出現(xiàn)彌補了單波長（近紅外的1064nm、1550nm等）或者雙波長（1064nm和532nm）激光雷達系統(tǒng)獲取信息單一、缺乏光譜信息等不足，成為未來發(fā)展方向。高光譜/多光譜激光雷達可獲取不同波段下的激光雷達回波，不僅具備空間三維信息獲取能力，并且同時具備地物光譜信息獲取能力，逐漸成為植被結(jié)構(gòu)和生化參數(shù)反演的最佳手段。另外，隨著量子信息技術(shù)的發(fā)展，量子激光雷達具有更強的抗干擾性、更高的靈敏度和距離與角度分辨率。

在數(shù)據(jù)處理方面，多平臺（星機地）、多模態(tài)（點云、波形、光子）激光雷達系統(tǒng)為多行業(yè)應(yīng)用提供了多源、海量三維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)各具特點、優(yōu)勢互補，實際應(yīng)用中多源數(shù)據(jù)精準配準和定量應(yīng)用一直是難點，亟待發(fā)展先進的人工智能、深度學(xué)習(xí)等方法，為激光雷達大數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用提供支持。

審核編輯：劉清