什么是 LiDAR？

Lidar 是“光檢測(cè)和測(cè)距”的縮寫，是一種用于創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界 3D 模型的遙感方法。

·         激光雷達(dá)傳感器如何工作？

依靠激光雷達(dá)傳感器，掃描儀每秒可以發(fā)射數(shù)百萬(wàn)個(gè)激光脈沖。每個(gè)脈沖返回掃描儀，使用光速計(jì)算物體與傳感器之間的距離，稱為飛行時(shí)間 (ToF)。結(jié)果是空間中的一個(gè)點(diǎn)，所有這些點(diǎn)的組合創(chuàng)建了一個(gè)密集的 3D 可視化，稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

·         雷達(dá)和激光雷達(dá)有什么區(qū)別？

LiDAR 和雷達(dá)都發(fā)射脈沖來(lái)確定撞擊表面并返回傳感器所需的時(shí)間。然而，雷達(dá)使用的是無(wú)線電波而不是光脈沖。LiDAR 技術(shù)通過(guò) 3D 模型創(chuàng)建精 確的測(cè)量值，而雷達(dá)的主要用途是軍事目的，即在戰(zhàn)艦上探測(cè)附近的物體。

LiDAR 的起源

激光雷達(dá)（光探測(cè)和測(cè)距）起源于聲納（聲波導(dǎo)航和測(cè)距）和雷達(dá)（無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距）技術(shù)。聲納和雷達(dá)分別使用無(wú)線電或微波頻譜中的聲波和電磁波。激光雷達(dá)技術(shù)使用紅外和可見(jiàn)光頻譜中的電磁輻射，這些電磁輻射的頻率比無(wú)線電或微波的頻率高得多。

這三種技術(shù)的主要目的是通過(guò)波的反射和探測(cè)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量到物體或表面的距離。每個(gè)系統(tǒng)都使用高精度計(jì)時(shí)裝置來(lái)測(cè)量從發(fā)射的能量（無(wú)論是聲音還是電磁輻射）傳播到物體或表面所需的時(shí)間。利用這個(gè)持續(xù)時(shí)間和聲音/輻射的速度，可以準(zhǔn)確計(jì)算出范圍。

·      由于聲波能夠在水中傳播很長(zhǎng)的距離，因此聲納通常用于海底應(yīng)用。請(qǐng)注意，雷達(dá)無(wú)法穿透水中的任何有用距離。

·      雷達(dá)通常用于空中應(yīng)用，例如空中交通管制、國(guó)防、天氣預(yù)報(bào)，甚至探測(cè)地下物體。雷達(dá)系統(tǒng)通常體積龐大、價(jià)格昂貴且專業(yè)化，因此通常無(wú)法用于普通商業(yè)用途。

·      典型的激光雷達(dá)應(yīng)用包括地形和植被調(diào)查與測(cè)繪。它還廣泛用于檢查公用設(shè)施，例如高壓電線、水壩、供水系統(tǒng)、建筑物和道路基礎(chǔ)設(shè)施。與當(dāng)今時(shí)代的許多技術(shù)一樣，將創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為更小、更快、更便宜的設(shè)備的速度正在不斷加快。這是激光雷達(dá)如此受歡迎的根本原因——它變得足夠小、足夠便宜，可以成為一些最 新智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

激光是激光雷達(dá)技術(shù)的關(guān)鍵

激光雷達(dá)使用激光技術(shù)發(fā)射具有所需波長(zhǎng)的光（光子），以滿足預(yù)期目的。激光技術(shù)的美妙之處在于它能夠以極高的一致性發(fā)射光；也就是說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，其波長(zhǎng)、偏振和方向都是一致的。這些特性使激光束的波長(zhǎng)范圍非常窄，使其具有獨(dú)特的單一（單色）顏色（如果是可見(jiàn)光），并且聚焦得非常緊密，從而形成典型的長(zhǎng)而窄的光束，而不是向四面八方擴(kuò)散的光束。

激光波長(zhǎng)與頻率成反比，由于光在任何給定介質(zhì)中的速度都是恒定的，因此知道一個(gè)波長(zhǎng)就意味著可以確定另一個(gè)波長(zhǎng)。在激光雷達(dá)應(yīng)用中，激光的所需傳播和反射特性將決定要使用的波長(zhǎng)/頻率。例如，如果使用激光雷達(dá)檢測(cè)大氣中特定氣體的粒子濃度，則激光波長(zhǎng)必須能夠反射目標(biāo)粒子。

在激光雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用中，激光的功率也非常重要，并且與激光雷達(dá)可以檢測(cè)到物體的最 大距離相關(guān)。激光的輸出功率越高，激光雷達(dá)與可檢測(cè)物體的距離就越遠(yuǎn)。在無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量中，可以在更大的 AGL（地面以上）/高度使用功率更高的激光雷達(dá)掃描儀。AGL 的增加會(huì)增加每次掃描區(qū)域的掃描寬度，從而可以更快地掃描測(cè)量區(qū)域。請(qǐng)注意，典型激光雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用中的激光功率受到眼睛安全法規(guī)的限制。

激光雷達(dá)的一個(gè)非常特別之處在于，激光發(fā)射可能會(huì)發(fā)生多次反射，具體取決于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)條件和激光穿透角度。與攝影測(cè)量（基于攝影圖像的）測(cè)量相比，激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠在一定程度上過(guò)濾植被，就像光線穿過(guò)森林樹(shù)冠到達(dá)森林地面一樣，并且能夠接收來(lái)自同一發(fā)射的多次反射。也就是說(shuō)，一些光子會(huì)從葉子的一部分反射，例如，另一些光子會(huì)從樹(shù)枝反射，還有一些光子會(huì)從地面反射。反射光中的能量（光子數(shù)量或反射光的強(qiáng)度）通常決定了物體或表面的某些屬性；例如，它的不透明度、形狀、材質(zhì)和光吸收。以我們的森林為例，這意味著可以測(cè)量到地面的距離以及到樹(shù)梢和中間物體的距離，這使得激光雷達(dá)成為茂密植被地區(qū)地形測(cè)量的絕佳工具。

為什么無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)在測(cè)量中如此受歡迎？

為了與小規(guī)模和更實(shí)惠的激光雷達(dá)測(cè)量商業(yè)應(yīng)用保持一致，我們將忽略有人駕駛飛機(jī)的激光雷達(dá)測(cè)量，而專注于無(wú)人機(jī)（無(wú)人駕駛/無(wú)人駕駛飛行器）或“無(wú)人機(jī)”。

無(wú)人機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間比我們想象的要長(zhǎng)得多，然而，自 2006 年以來(lái)，無(wú)人機(jī)進(jìn)入了商業(yè)領(lǐng)域，幾年后又進(jìn)入了個(gè)人市場(chǎng)。自那以后，無(wú)人機(jī)使用量激增，有人稱之為“無(wú)人機(jī)革命”，這對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量的發(fā)展起到了重要作用。無(wú)人機(jī)通常可以向任何方向飛行，并且可以高度控制和穩(wěn)定地懸停，這使得它非常適合在建筑物內(nèi)部、周圍和下方以及上方進(jìn)行測(cè)量和檢查。

可以肯定地說(shuō)，自 20 世紀(jì) 60 年代首次出現(xiàn)以來(lái)，激光雷達(dá)的發(fā)展一直在加速，因?yàn)?/span> GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）接收器和慣性測(cè)量單元(IMU) 在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始商業(yè)化。GNSS 和 IMU 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航，并能詳細(xì)了解車輛運(yùn)動(dòng)，這為無(wú)人機(jī)開(kāi)辟了一個(gè)全新的可能性世界。如果將無(wú)人機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和激光雷達(dá)結(jié)合在一起，就可以制造出一種部署簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜的車輛，它可以提供出色的周圍環(huán)境測(cè)繪效果，并以地球表面的絕 對(duì)位置為參考。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，激光雷達(dá)掃描儀的成本正在降低，其物理尺寸和重量也在降低。與此同時(shí)，掃描速度和由此產(chǎn)生的測(cè)量分辨率也在提高。目前，最快的掃描儀可以以驚人的每秒 200 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)甚至更高的速度運(yùn)行，提供極其詳細(xì)的點(diǎn)云。同樣，激光雷達(dá)掃描儀的測(cè)距距離也在增加，允許掃描儀在更高的海拔或更遠(yuǎn)的測(cè)量地點(diǎn)使用，同時(shí)仍能產(chǎn)生可接受的結(jié)果。

高分辨率無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量的速度和多功能性與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比有很多優(yōu)勢(shì)，例如：

·         成本– 與使用人工測(cè)量員和傳統(tǒng)技術(shù)相比，成本的降低不容小覷。例如，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程甚至自主測(cè)量，而無(wú)需將測(cè)量員的靴子和設(shè)備放在地面或租用飛機(jī)，可以大幅降低成本和物流。

·         速度– 易于操作和部署的設(shè)備組合能夠快速準(zhǔn)確地覆蓋大面積區(qū)域，大大加快了勘測(cè)時(shí)間。對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)向客戶提供勘測(cè)結(jié)果。

·         安全性——無(wú)需人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘測(cè)，可使他們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，尤其是在交通不便或地形危險(xiǎn)的地區(qū)。這延伸到其他高風(fēng)險(xiǎn)勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；例如，高空檢查和高壓裝置。

·         勘察頻率——成本較低且部署簡(jiǎn)單，因此可以進(jìn)行更頻繁的勘察。這樣可以更快地發(fā)現(xiàn)環(huán)境變化、損壞或惡化，并提供更及時(shí)響應(yīng)的機(jī)會(huì)。

·         環(huán)境——與以前的技術(shù)相比，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)提供了一種更可持續(xù)、更環(huán)保的選擇，以前的技術(shù)通常涉及多輛車、更多人員、更高的碳排放量以及更大的環(huán)境破壞可能性。

·         商業(yè)機(jī)會(huì)——由于成本相對(duì)較低且在蓬勃發(fā)展的勘測(cè)和檢查市場(chǎng)中的重要性日益增加，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)繼續(xù)成為一個(gè)優(yōu) 秀的商業(yè)平臺(tái)。

其他實(shí)用的激光雷達(dá)測(cè)量應(yīng)用

激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了航空地形測(cè)量。事實(shí)上，如果有任何需要目視檢查的東西，那么很有可能已經(jīng)或?qū)?huì)出現(xiàn)基于激光雷達(dá)的解決方案。激光雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它適用于大量傳統(tǒng)上需要大量勞動(dòng)力、時(shí)間和相關(guān)成本的應(yīng)用。以下是一些示例：

·      鐵路走廊測(cè)量——列車安裝的激光雷達(dá)可以測(cè)量軌道軌距和路線、道碴分布和覆蓋范圍，以及列車潛在危險(xiǎn)之間的間隙。

·      道路測(cè)量——車載激光雷達(dá)可用作自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分，用于評(píng)估道路狀況并識(shí)別和地理參考需要維護(hù)的區(qū)域以及所需采取的行動(dòng)類型和程度。

·      城鎮(zhèn)和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃——簡(jiǎn)化、快速且經(jīng)濟(jì)高效的無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量提高了做出明智城鎮(zhèn)規(guī)劃決策的能力，并有助于完成其他需要了解特定地點(diǎn)環(huán)境的市政任務(wù)，例如公園和娛樂(lè)場(chǎng)所以及劃分開(kāi)發(fā)用地。
公用設(shè)施檢查——困難且危險(xiǎn)的檢查任務(wù)，例如大壩墻、高層建筑施工現(xiàn)場(chǎng)、橋梁以及高壓電線、絕緣子和高壓電線塔，都可以在安全的地面快速完成。無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)可以提供可快速分析和處理的詳細(xì)圖像。使用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)在減少工作人員數(shù)量和使用專用車輛方面節(jié)省的成本對(duì)于可持續(xù)和可重復(fù)的檢查至關(guān)重要。

·      精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)——精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)踐嚴(yán)重依賴多種傳感器技術(shù)，為農(nóng)民提供農(nóng)場(chǎng)和土地總體狀況的深入洞察。例如，無(wú)人機(jī)上安裝的激光雷達(dá)可以提供高精度位置數(shù)據(jù)，用于識(shí)別害蟲、疾病、雜草和圍欄損壞等。安裝在地面車輛或機(jī)器人上的激光雷達(dá)可用于計(jì)算樹(shù)上的果實(shí)數(shù)量，評(píng)估作物狀況，以及越來(lái)越多可以自動(dòng)化或簡(jiǎn)化的任務(wù)，讓農(nóng)民專注于經(jīng)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)，不再需要執(zhí)行一些比較瑣碎的活動(dòng)。

·      沿海測(cè)深——激光雷達(dá)的進(jìn)步使淺水航空測(cè)深激光雷達(dá) (ABL) 成為可能。在適當(dāng)條件下，可以使用飛機(jī)或無(wú)人機(jī)安裝的激光雷達(dá)代替水上船只和傳統(tǒng)的基于聲納的測(cè)深測(cè)繪，不僅可以繪制海床表面，還可以同時(shí)繪制沿海邊緣。ABL 測(cè)量的速度比傳統(tǒng)聲納測(cè)深快很多倍，其好處顯而易見(jiàn)。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)增強(qiáng)激光雷達(dá)技術(shù)

新興的自主革命和將人工執(zhí)行的勞動(dòng)密集型、危險(xiǎn)性或低效性任務(wù)自動(dòng)化的想法，正在推動(dòng)許多不同領(lǐng)域和應(yīng)用的深度創(chuàng)新。將輕型無(wú)人駕駛飛行器與衛(wèi)星導(dǎo)航、激光雷達(dá)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合的概念繼續(xù)為難以超越的勘測(cè)和檢查提供出色的工具，那么我們會(huì)看到哪些改進(jìn)呢？

人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 軟件是可以與激光雷達(dá)一起使用并取得巨大成功的技術(shù)。隨著激光雷達(dá)分辨率的提高，物體識(shí)別和分類的能力也隨之提高。AI/ML 軟件通常在實(shí)驗(yàn)室中“訓(xùn)練”，以根據(jù)形狀和大小特征識(shí)別物體、生物或現(xiàn)象。此外，隨著激光雷達(dá)點(diǎn)云分辨率的提高，復(fù)雜的自動(dòng)化分析也成為可能，這使得更復(fù)雜的形狀和更小尺寸的物體變得可識(shí)別。

新型和改進(jìn)的遙感技術(shù)正在迅速擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集范圍。例如，用于農(nóng)業(yè)的大氣和地面化學(xué)成分高光譜成像。通過(guò)將來(lái)自第三方傳感器的信息與激光雷達(dá)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合，得到的測(cè)量點(diǎn)云可以包含一系列傳感器數(shù)據(jù)，從而可以分析多種現(xiàn)象。在一次調(diào)查中收集多種數(shù)據(jù)類型也變得越來(lái)越普遍，而不是使用不同的傳感設(shè)備進(jìn)行多次調(diào)查，這可以節(jié)省時(shí)間、降低客戶成本并最 大限度地減少排放。