一篇文章講透機(jī)載LIDAR的工作原理

LiDAR，是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種采用激光對(duì)地面物體的高度進(jìn)行量測(cè)的方式。聲納使用聲波描述物體，雷達(dá)使用無(wú)線電波描述物體，而LiDAR使用的是激光。

生活中常見(jiàn)的激光有些用于條形碼掃描、有些用于制作華麗的聲光，甚至是用于脫毛。而激光是如何用來(lái)測(cè)量物體的呢？

目前獲取LiDAR數(shù)據(jù)有三種不同的方式，分別是從地面獲取的車(chē)載LiDAR、從飛機(jī)上獲取的機(jī)載LiDAR，以及從太空中獲取的星載LiDAR，其中機(jī)載LiDAR在自然資源方面的應(yīng)用最為普遍。

要了解機(jī)載LiDAR是如何測(cè)量物體高度的，首先要了解它的四個(gè)組成部分。

第一個(gè)組成部分，就是安裝在飛機(jī)上的LiDAR設(shè)備本身，該設(shè)備用于對(duì)地面進(jìn)行逐行掃描。LiDAR系統(tǒng)所發(fā)出的是綠光或近紅外光，因?yàn)榈乇淼闹脖粫?huì)對(duì)這兩種光產(chǎn)生較強(qiáng)的反射。

第二個(gè)組成部分是GPS接收器，它用于記錄飛機(jī)的高度和X/Y坐標(biāo)。

第三個(gè)部分是慣性測(cè)量單元（IMU），用于記錄飛機(jī)在飛行時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這對(duì)于后面物體高度的計(jì)算精度非常重要。

LiDAR系統(tǒng)的最后一部分是計(jì)算機(jī)，用來(lái)記錄飛機(jī)在飛行過(guò)程中對(duì)地面掃描所采集到的各種信息。可以說(shuō)沒(méi)有計(jì)算機(jī)，就沒(méi)有數(shù)據(jù)。

那么，這四部分組合在一起，是如何產(chǎn)生如此精細(xì)、用途廣泛的數(shù)據(jù)集的？其實(shí)LiDAR系統(tǒng)的激光在對(duì)地面進(jìn)行掃描時(shí)，是對(duì)地面發(fā)射光束。

這里要先解釋一下激光發(fā)射的兩個(gè)關(guān)鍵概念：

第一，什么是“脈沖”？ “脈沖”其實(shí)是LiDAR的激光產(chǎn)生并發(fā)射出的光能。

第二，什么是“回波”？“回波”指的是被反射并由傳感器記錄下的光能。

這兩個(gè)概念看起來(lái)似乎都和高度沒(méi)什么關(guān)系。

為了獲取高度，LiDAR系統(tǒng)會(huì)記錄脈沖從發(fā)射并反射回傳感器所花費(fèi)的時(shí)間。然后，系統(tǒng)根據(jù)記錄的時(shí)間結(jié)合光速，計(jì)算出地面物體表面到激光發(fā)射器的距離。

詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程是用記錄的時(shí)間乘以光速，再除以2。之所以要除以2，是因?yàn)橛涗浀臅r(shí)間是包括到達(dá)地面并返回的雙向時(shí)間。

這樣計(jì)算得到的結(jié)果就是激光從飛機(jī)到地面的通行距離。

但僅僅得到飛機(jī)到地面的通行距離還不夠，還需要知道地面的高程。從飛機(jī)上的GPS接收器上可以得到飛機(jī)的飛行高度，然后減去剛才計(jì)算得到的飛機(jī)到地面的距離，其結(jié)果就是地面高程。

這就是用激光測(cè)量地面高程的基本原理。

基本概念了解后，還需要再考慮兩個(gè)因素。

首先是飛機(jī)在空中會(huì)受氣流的影響而顛簸，這種波動(dòng)會(huì)被機(jī)上的慣性測(cè)量單元（IMU）所記錄。這個(gè)因素需要在計(jì)算高度時(shí)加以考慮。

另外，由于機(jī)載LiDAR在飛行過(guò)程中，會(huì)對(duì)地面進(jìn)行逐行掃描，可以覆蓋大面積區(qū)域。這其中有些脈沖是垂直于地面發(fā)射的，稱(chēng)為NADIR。但大多數(shù)脈沖還是傾斜發(fā)射出去的，稱(chēng)為OFF-NADIR。在計(jì)算高度時(shí)，必須還需要考慮脈沖的發(fā)射角度。

總結(jié)一下整個(gè)計(jì)算過(guò)程：LiDAR系統(tǒng)將激光發(fā)射向地面，然后記錄下激光脈沖從發(fā)射到地面，再?gòu)牡孛娣瓷浠叵到y(tǒng)的時(shí)間；根據(jù)這個(gè)時(shí)間結(jié)合光速可以計(jì)算出距離，系統(tǒng)再根據(jù)飛機(jī)高度、姿態(tài)以及脈沖角度，計(jì)算出地表物體的高度；同時(shí)根據(jù)GPS接收器的信息得到地面物體的空間坐標(biāo)。所有這些信息都被記錄在計(jì)算機(jī)里，這就是機(jī)載LiDAR的基本工作原理。

LiDAR系統(tǒng)還有一個(gè)非常重要的特性，就是它所發(fā)出的脈沖不僅會(huì)到達(dá)樹(shù)頂并返回，有時(shí)候也可以穿透某些地物。就好像陽(yáng)光照進(jìn)樹(shù)林中一樣，LiDAR的光束也同樣可以穿透樹(shù)冠，并反射樹(shù)冠以下的部分。LiDAR系統(tǒng)這種不僅可以記錄樹(shù)頂反射信息，而且可以穿過(guò)樹(shù)冠直達(dá)地面的特性，使得LiDAR系統(tǒng)成為在林業(yè)研究中非常有用的工具。這種可以穿透樹(shù)冠并提供多次回波的特性，可以告訴我們有關(guān)樹(shù)林結(jié)構(gòu)的更多信息。比如，它可以告訴我們樹(shù)的形狀，或者樹(shù)林樹(shù)葉的密度，有時(shí)甚至可以提供樹(shù)林里地面灌木的情況。

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