一篇文章講透機載LIDAR的工作原理

LiDAR，是激光探測及測距系統的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種采用激光對地面物體的高度進(jìn)行量測的方式。聲納使用聲波描述物體，雷達使用無(wú)線(xiàn)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)測量物體的呢？

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

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

第一個(gè)組成部分，就是安裝在飛機上的LiDAR設備本身，該設備用于對地面進(jìn)行逐行掃描。LiDAR系統所發(fā)出的是綠光或近紅外光，因為地表的植被會(huì )對這兩種光產(chǎn)生較強的反射。

第二個(gè)組成部分是GPS接收器，它用于記錄飛機的高度和X/Y坐標。

第三個(gè)部分是慣性測量單元（IMU），用于記錄飛機在飛行時(shí)的姿態(tài)數據，這對于后面物體高度的計算精度非常重要。

LiDAR系統的最后一部分是計算機，用來(lái)記錄飛機在飛行過(guò)程中對地面掃描所采集到的各種信息?？梢哉f(shuō)沒(méi)有計算機，就沒(méi)有數據。

那么，這四部分組合在一起，是如何產(chǎn)生如此精細、用途廣泛的數據集的？其實(shí)LiDAR系統的激光在對地面進(jìn)行掃描時(shí)，是對地面發(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系統會(huì )記錄脈沖從發(fā)射并反射回傳感器所花費的時(shí)間。然后，系統根據記錄的時(shí)間結合光速，計算出地面物體表面到激光發(fā)射器的距離。

詳細的計算過(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，是因為記錄的時(shí)間是包括到達地面并返回的雙向時(shí)間。

這樣計算得到的結果就是激光從飛機到地面的通行距離。

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

這就是用激光測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。

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

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

總結一下整個(gè)計算過(guò)程：LiDAR系統將激光發(fā)射向地面，然后記錄下激光脈沖從發(fā)射到地面，再從地面反射回系統的時(shí)間；根據這個(gè)時(shí)間結合光速可以計算出距離，系統再根據飛機高度、姿態(tài)以及脈沖角度，計算出地表物體的高度；同時(shí)根據GPS接收器的信息得到地面物體的空間坐標。所有這些信息都被記錄在計算機里，這就是機載LiDAR的基本工作原理。

LiDAR系統還有一個(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)冠直達地面的特性，使得LiDAR系統成為在林業(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)林結構的更多信息。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。

飛燕航空遙感技術(shù)有限公司，斥資2000萬(wàn)先后引進(jìn)兩臺RIEGL VQ-1560i機載激光雷達系統，致力于為廣大用戶(hù)提供優(yōu)秀的三維激光解決方案。