點(diǎn)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(biāo)和屬性的點(diǎn)來刻畫，形成我們?nèi)庋鬯姷氖澜?。二維的點(diǎn)集可以形成圖像和照片，三維的點(diǎn)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(yàn)。

這些點(diǎn)是怎么獲取、又是怎樣具有時(shí)空信息的呢？這就離不開為我們精準(zhǔn)感知世界提供“慧眼”的激光雷達(dá)。那么，什么是激光雷達(dá)，它是如何工作來獲取萬物之點(diǎn)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(jí)躍遷到高能級(jí)（受激吸收）、再從高能級(jí)回落到低能級(jí)時(shí)所釋放的能量以放大了的光子形式發(fā)出（受激輻射），這個(gè)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(huì)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(duì)人體具有極大殺傷力的光。其實(shí)，激光也分等級(jí)，功率越低對(duì)人眼越安全，因此人們利用低功率激光生產(chǎn)激光電視、進(jìn)行激光雷達(dá)測(cè)繪等。本文主要介紹對(duì)地觀測(cè)激光雷達(dá)的相關(guān)知識(shí)。

什么是激光雷達(dá)？

激光雷達(dá)，英文為Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR，即光探測(cè)與測(cè)距。光探測(cè)首先需要一個(gè)激光源，即激光器發(fā)射高頻率激光脈沖到被測(cè)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(duì)回波進(jìn)行處理，一般由望遠(yuǎn)鏡和各種光電探測(cè)器組成，通過測(cè)量激光發(fā)射到接收經(jīng)過的時(shí)間，結(jié)合光速即可計(jì)算出被測(cè)物體相對(duì)于探測(cè)器的距離。

激光雷達(dá)怎么獲取點(diǎn)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(diǎn)的三維坐標(biāo)和時(shí)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(cè)搭載激光雷達(dá)系統(tǒng)平臺(tái)姿態(tài)的慣性測(cè)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(dá)系統(tǒng)的空間位置和姿態(tài)信息。可見，激光雷達(dá)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(dāng)前直接快速獲取探測(cè)目標(biāo)空間位置及其幾何信息的最有效手段之一。

圖1機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成

激光雷達(dá)如何工作？

激光雷達(dá)名字高大上，工作原理卻很簡單。激光器向目標(biāo)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(shí)間間隔t（Time of Flight, TOF）來計(jì)算激光器和目標(biāo)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(cè)量的激光雷達(dá)系統(tǒng)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)解算即可得到被測(cè)物及周圍環(huán)境各點(diǎn)在地理空間參考下的三維坐標(biāo)，這些帶有xyz坐標(biāo)的點(diǎn)在三維空間呈離散分布，人們形象地稱為“點(diǎn)云”（圖2），可在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件（如點(diǎn)云魔方等）進(jìn)行三維顯示、量測(cè)、建模以及多行業(yè)應(yīng)用等。

圖2 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)按高程顯示

常見的激光雷達(dá)有哪些？

激光雷達(dá)種類很多，按照不同分類方法介紹如下：

（1）按照搭載平臺(tái)可分為星載、機(jī)載和地基激光雷達(dá)（圖3）。其中星載激光雷達(dá)主要以衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站等為平臺(tái)，觀測(cè)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(hào)”；機(jī)載主要以固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等為平臺(tái)，適合長距離線狀地物三維信息獲取；地基包括三腳架、車載、背包、手持以及船載等，特點(diǎn)是獲取數(shù)據(jù)全面、方式靈活。

圖3 不同平臺(tái)激光雷達(dá)系統(tǒng)

（2）按照測(cè)距模式可分為脈沖式和相位式激光雷達(dá)。前者利用激光脈沖在發(fā)射和接收信號(hào)之間往返傳播的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)量，直接、測(cè)量距離長。相位式是一種間接方式，利用電波頻率對(duì)激光波束進(jìn)行幅度調(diào)制，測(cè)定調(diào)制光往返觀測(cè)目標(biāo)一次所產(chǎn)生的相位延遲，根據(jù)波長計(jì)算該延遲所代表的距離，測(cè)距相對(duì)較短，但脈沖頻率和獲取的點(diǎn)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(dá)，前者光斑直徑通常超過10m，目前主要是指星載激光雷達(dá)系統(tǒng)，如美國ICESat/GLAS（Geoscience Laser Altimeter System）光斑直徑約70m、我國高分七號(hào)獲取的光斑直徑約17m，缺點(diǎn)是點(diǎn)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(shì)。小光斑激光雷達(dá)光斑直徑為厘米甚至毫米級(jí)，點(diǎn)密度和精度高，通?？梢猿上瘢饕笝C(jī)載和地基激光雷達(dá)系統(tǒng)。

（4）按照探測(cè)與記錄方式可分為離散點(diǎn)云、全波形和光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)。離散激光雷達(dá)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(dá)對(duì)回波進(jìn)行連續(xù)采樣，記錄信息更為精細(xì)，能獲取目標(biāo)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(jī)載LiDAR等。光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)不同于前兩者，采用微脈沖激光器和高靈敏度光子探測(cè)器，將回波信號(hào)（單光子級(jí)別）計(jì)數(shù)為光子點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是利用較低的激光能量獲取遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)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(dá)有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

激光雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)很多，相對(duì)于被動(dòng)光學(xué)遙感，首先它主動(dòng)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(dá)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(lán)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(cè)量、近岸水下考古等。

雖然激光雷達(dá)有很多優(yōu)點(diǎn)，但在大雨、濃霧、濃煙等環(huán)境下系統(tǒng)發(fā)射的脈沖會(huì)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(shí)激光點(diǎn)云離散分布，目前以單波長激光雷達(dá)系統(tǒng)為主，在光譜和紋理信息獲取方面比傳統(tǒng)的被動(dòng)光學(xué)影像稍遜色。

激光雷達(dá)能干啥？

激光雷達(dá)的應(yīng)用非常廣泛，如基礎(chǔ)測(cè)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(hù)等，在極地冰蓋、海洋、陸地，大氣層、月球、火星表面測(cè)繪中，都有激光雷達(dá)的身影。

（1）基礎(chǔ)測(cè)繪：星載激光雷達(dá)可獲取亞米級(jí)高程信息，為制作全球、月球表面高精度控制點(diǎn)提供支持。機(jī)載激光雷達(dá)獲取的高密度點(diǎn)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(cè)繪數(shù)據(jù)。

（2）林業(yè)調(diào)查：激光雷達(dá)可以獲取植被冠層高密度點(diǎn)云，高頻率激光脈沖可穿透植被冠層到達(dá)地面，不僅可獲取精細(xì)的冠層垂直結(jié)構(gòu)信息，還可得到林下地形信息，進(jìn)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(jī)載、車載激光雷達(dá)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理及交互呈現(xiàn)，讓用戶有沉浸式體驗(yàn)，這也是當(dāng)前“實(shí)景三維中國”的重要內(nèi)容。

（4）數(shù)字電網(wǎng)：激光雷達(dá)可在線路設(shè)計(jì)、電力設(shè)施數(shù)字化、危險(xiǎn)點(diǎn)檢測(cè)、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(diǎn)云可精確探測(cè)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(jìn)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(hù)：激光雷達(dá)獲取遺產(chǎn)本體高精度高密度點(diǎn)云，結(jié)合其攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī)獲取遺產(chǎn)特征信息，構(gòu)建真三維數(shù)字模型，進(jìn)行數(shù)字化展示與保存；還可對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化記錄、對(duì)出土文物進(jìn)行量測(cè)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(dá)的無人車在行駛中，激光脈沖遇到障礙物后會(huì)返回，系統(tǒng)計(jì)算與目標(biāo)間的相對(duì)距離，幫助汽車自主感知道路環(huán)境和避障。同時(shí)激光雷達(dá)可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊緣與車身的相對(duì)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(dá)不同于單點(diǎn)定位方式，通過掃描獲取的高密度高精度點(diǎn)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(dá)進(jìn)行斷面圖生產(chǎn)，爆破面積與體積、開挖土方量計(jì)算，開挖隧道壁的平整度分析、超欠挖、隧道掘進(jìn)方向檢校等。

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

（9）近岸水深與水底地形測(cè)量：532nm波長的激光脈沖（藍(lán)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(cè)、湖泊水位測(cè)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(dá)還可用于極地冰蓋、高原冰川高度及消融變化監(jiān)測(cè)、高鐵/地鐵軌道變形監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物長勢(shì)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(chǎng)地下制冰排管的精確安裝。

未來的激光雷達(dá)

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

當(dāng)前商業(yè)化激光雷達(dá)系統(tǒng)研制已進(jìn)入爆發(fā)期，各種性能的激光雷達(dá)呈百花齊放的態(tài)勢(shì)?？傮w來說，激光雷達(dá)系統(tǒng)趨向于高性能、低成本、輕小型化，具有更高的測(cè)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(yuǎn)的測(cè)量距離。自帶激光掃描頭的手機(jī)等使激光雷達(dá)進(jìn)入消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。同時(shí)，高光譜/多光譜激光雷達(dá)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了單波長（近紅外的1064nm、1550nm等）或者雙波長（1064nm和532nm）激光雷達(dá)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(dá)可獲取不同波段下的激光雷達(dá)回波，不僅具備空間三維信息獲取能力，并且同時(shí)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(dá)具有更強(qiáng)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(tái)（星機(jī)地）、多模態(tài)（點(diǎn)云、波形、光子）激光雷達(dá)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(diǎn)、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)際應(yīng)用中多源數(shù)據(jù)精準(zhǔn)配準(zhǔn)和定量應(yīng)用一直是難點(diǎn)，亟待發(fā)展先進(jìn)的人工智能、深度學(xué)習(xí)等方法，為激光雷達(dá)大數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用提供支持。

審核編輯：劉清