激光雷达遥感技术简介

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-11-13 08:01:00

引言
激光雷达（LiDAR，Light Detection and Ranging）技术已成为三维空间数据采集和分析的重要工具。本文介绍激光雷达技术、系统组成及应用领域[1]。激光雷达的基础源于爱因斯坦1916年发现的受激发射现象：当一个光子通过物质时能够激发产生更多光子。激光雷达技术结合了激光技术和光电探测技术，用于测量距离并创建物体和环境的三维表示。

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图1：不同平台激光雷达系统的特性。此图展示了从地基到机载再到星载系统，随着平台高度增加，空间分辨率、采样频率和观测尺度如何变化。

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图2：激光雷达系统在不同平台上的组成概览。该图展示了星载、机载和地基激光雷达系统的关键组件和关系，突出显示了各类平台如何集成不同子系统用于数据采集和处理。

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图3：机载激光扫描系统的详细组成。该图展示了激光扫描仪、GNSS、INS和监控系统组件之间的集成和交互，说明这些元素如何协同工作以采集和处理激光雷达数据。

系统组成与运行原理
典型的激光雷达系统包含四个主要组成部分：

1. 激光扫描系统包括激光测距单元和机械扫描装置，激光测距单元发射并接收激光信号以确定距离、回波次数和强度。
2. 全球导航卫星系统（GNSS）提供精确的定位和时间信息，实现数据的准确地理参考。
3. 惯性导航系统（INS）测量激光发射时刻的姿态信息，包括俯仰角、横滚角和航向角。
4. 监控系统协调所有组件的工作并管理数据存储。

激光雷达分类与类型
激光雷达系统可根据多个特征进行分类:

按照搭载平台可分为星载、机载和地基系统;

按照测距模式可分为脉冲式和相位式激光雷达;

按照激光介质可分为气体和固态激光雷达。
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按照足迹大小，可分为大足迹（直径超过10米）和小足迹（厘米或毫米级）激光雷达。例如，美国NASA的GLAS系统足迹直径为70米，而中国高分七号卫星激光高度计的足迹直径为17米。

按照探测和记录方式，包括离散回波、全波形和光子计数激光雷达。离散回波激光雷达在商业应用中最为普及，如建筑三维重建和数字城市建设。全波形激光雷达提供更详细的垂直剖面信息，而光子计数激光雷达则在使用最小激光能量的情况下实现远距离空间目标探测。

数据格式与处理
激光雷达数据存储使用多种格式:
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1. LAS/LAZ格式由美国摄影测量与遥感学会（ASPRS）管理，是最广泛使用的格式，其中LAZ是压缩版本。该格式包括文件头、可变长度记录、点数据记录和可选的扩展可变长度记录。点数据包含三维坐标及强度、回波次数、分类等属性。

2. 点云数据（PCD）格式与点云库配合使用，支持n维点类型扩展。徕卡扫描仪使用PTS/PTX格式存储单次扫描信息。PLY和OFF等模型文件格式可同时存储点云数据和拓扑关系。XYZ、ASC、NEU和CSV等ASCII格式为简单应用提供基本数据存储选项。

应用领域
激光雷达技术在众多领域具有广泛应用:

地形测绘方面，可生成高精度数字高程模型和测绘控制点。在森林资源调查中，激光雷达能够穿透林冠间隙，同时获取详细的冠层结构和下层地形信息，准确测量树高、生物量、冠幅和叶面积指数等结构参数。在光学遥感难以准确反演高覆盖度森林叶面积指数的情况下，激光雷达技术提供了更准确的解决方案。

在城市环境中，激光雷达通过对建筑物和基础设施的多角度、全方位快速扫描，创建精细的三维城市模型。这些模型可在线发布，实现城市场景的实时交互式展示。

在电力行业，激光雷达用于输电线路规划、基础设施数字化和隐患检测。系统可精确测量输电线位置，分析电线与植被、地面特征之间的安全距离。

在农业领域，激光雷达可估算作物高度、叶面积指数和生物量等参数。

在文化遗产保护方面，激光雷达为历史遗迹、文物和考古发现创建精确的三维记录。

该技术在交通基础设施规划中发挥重要作用，特别是在道路设计和隧道施工监测方面。

在自动驾驶领域，激光雷达提供环境感知能力，通过创建周围环境的详细三维地图辅助车辆导航。

在采矿作业中，该技术可对露天矿进行全面监测，跟踪边坡稳定性，测量矿体变形。

在水文测量方面，激光雷达可用于近海地形测绘、河流测量、洪水评估和大坝变形监测。蓝色或绿色激光可穿透一定深度的水体，获取水下地形和水质信息，在近海和内陆河湖的水下地形测绘和水质监测中发挥作用。

安全考虑
激光雷达系统的安全等级取决于对人眼和皮肤的潜在风险。最大允许照射量（MPE）决定激光安全等级，考虑因素包括波长、输出功率、脉冲持续时间和照射时间。

I类激光对人眼安全，适用于激光演示、显示、测绘等；

II类激光直视可能导致眩晕；

III类激光具有一定危险性，需要避免直接照射眼睛；

IV类激光具有严重危险，主要用于工业切割、焊接等应用。
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未来发展方向
激光雷达技术在多个方面持续进步。系统在数据采集速度、分辨率和精度方面不断提升。小型化趋势促使系统变得更轻巧，适用于更多样化的应用场景。与其他传感技术的集成扩展了激光雷达系统的功能，同时数据处理算法的改进提高了分析效率。

星载激光雷达系统的发展持续推进，多个国家启动新的任务用于全球高程测绘、森林监测和行星探测。以中国为例，近年来在星载激光雷达领域取得显著进展，包括高分七号卫星激光高度计和用于陆地生态系统碳监测的卫星项目。

此外，随着无人机技术的普及，轻型小型化的激光雷达系统发展迅速。例如，奥地利Riegl公司2014年发布的VUX-1扫描仪，重量仅3.6千克，是全球首款轻型小型无人机激光雷达。日本北阳公司推出的多款系统重量均不到1千克。这些发展为激光雷达在更多领域的应用提供了新的机遇。

伴随着激光雷达硬件的进步，数据处理和分析技术也在不断革新，包括人工智能算法在点云分类、特征提取和场景理解中的应用。这些技术进步推动激光雷达在各个领域的应用不断深化和扩展。

参考文献
[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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