一篇文章(zhāng)講透機載LIDAR的(de)工作原理(lǐ)

LiDAR，是激光(guāng)探測及測距系統的(de)簡稱，是一種采用(yòng)激光(guāng)對(duì)地面物(wù)體的(de)高(gāo)度進行量測的(de)方式。聲納使用(yòng)聲波描述物(wù)體，雷達使用(yòng)無線電波描述物(wù)體，而LiDAR使用(yòng)的(de)是激光(guāng)。

生活中常見的(de)激光(guāng)有些用(yòng)于條形碼掃描、有些用(yòng)于制作華麗的(de)聲光(guāng)，甚至是用(yòng)于脫毛。而激光(guāng)是如何用(yòng)來(lái)測量物(wù)體的(de)呢(ne)？

目前獲取LiDAR數據有三種不同的(de)方式，分(fēn)别是從地面獲取的(de)車載LiDAR、從飛(fēi)機上獲取的(de)機載LiDAR，以及從太空中獲取的(de)星載LiDAR，其中機載LiDAR在自然資源方面的(de)應用(yòng)最爲普遍。

要了(le)解機載LiDAR是如何測量物(wù)體高(gāo)度的(de)，首先要了(le)解它的(de)四個(gè)組成部分(fēn)。

第一個(gè)組成部分(fēn)，就是安裝在飛(fēi)機上的(de)LiDAR設備本身，該設備用(yòng)于對(duì)地面進行逐行掃描。LiDAR系統所發出的(de)是綠光(guāng)或近紅外光(guāng)，因爲地表的(de)植被會對(duì)這(zhè)兩種光(guāng)産生較強的(de)反射。

第二個(gè)組成部分(fēn)是GPS接收器，它用(yòng)于記錄飛(fēi)機的(de)高(gāo)度和(hé)X/Y坐(zuò)标。

第三個(gè)部分(fēn)是慣性測量單元（IMU），用(yòng)于記錄飛(fēi)機在飛(fēi)行時(shí)的(de)姿态數據，這(zhè)對(duì)于後面物(wù)體高(gāo)度的(de)計算(suàn)精度非常重要。

LiDAR系統的(de)最後一部分(fēn)是計算(suàn)機，用(yòng)來(lái)記錄飛(fēi)機在飛(fēi)行過程中對(duì)地面掃描所采集到的(de)各種信息。可(kě)以說沒有計算(suàn)機，就沒有數據。

那麽，這(zhè)四部分(fēn)組合在一起，是如何産生如此精細、用(yòng)途廣泛的(de)數據集的(de)？其實LiDAR系統的(de)激光(guāng)在對(duì)地面進行掃描時(shí)，是對(duì)地面發射光(guāng)束。

這(zhè)裏要先解釋一下(xià)激光(guāng)發射的(de)兩個(gè)關鍵概念：

第一，什(shén)麽是“脈沖”？ “脈沖”其實是LiDAR的(de)激光(guāng)産生并發射出的(de)光(guāng)能。

第二，什(shén)麽是“回波”？“回波”指的(de)是被反射并由傳感器記錄下(xià)的(de)光(guāng)能。

這(zhè)兩個(gè)概念看起來(lái)似乎都和(hé)高(gāo)度沒什(shén)麽關系。

爲了(le)獲取高(gāo)度，LiDAR系統會記錄脈沖從發射并反射回傳感器所花費的(de)時(shí)間。然後，系統根據記錄的(de)時(shí)間結合光(guāng)速，計算(suàn)出地面物(wù)體表面到激光(guāng)發射器的(de)距離。

詳細的(de)計算(suàn)過程是用(yòng)記錄的(de)時(shí)間乘以光(guāng)速，再除以2。之所以要除以2，是因爲記錄的(de)時(shí)間是包括到達地面并返回的(de)雙向時(shí)間。

這(zhè)樣計算(suàn)得(de)到的(de)結果就是激光(guāng)從飛(fēi)機到地面的(de)通(tōng)行距離。

但僅僅得(de)到飛(fēi)機到地面的(de)通(tōng)行距離還(hái)不夠，還(hái)需要知道地面的(de)高(gāo)程。從飛(fēi)機上的(de)GPS接收器上可(kě)以得(de)到飛(fēi)機的(de)飛(fēi)行高(gāo)度，然後減去剛才計算(suàn)得(de)到的(de)飛(fēi)機到地面的(de)距離，其結果就是地面高(gāo)程。

這(zhè)就是用(yòng)激光(guāng)測量地面高(gāo)程的(de)基本原理(lǐ)。

基本概念了(le)解後，還(hái)需要再考慮兩個(gè)因素。

首先是飛(fēi)機在空中會受氣流的(de)影(yǐng)響而颠簸，這(zhè)種波動會被機上的(de)慣性測量單元（IMU）所記錄。這(zhè)個(gè)因素需要在計算(suàn)高(gāo)度時(shí)加以考慮。

另外，由于機載LiDAR在飛(fēi)行過程中，會對(duì)地面進行逐行掃描，可(kě)以覆蓋大(dà)面積區(qū)域。這(zhè)其中有些脈沖是垂直于地面發射的(de)，稱爲NADIR。但大(dà)多(duō)數脈沖還(hái)是傾斜發射出去的(de)，稱爲OFF-NADIR。在計算(suàn)高(gāo)度時(shí)，必須還(hái)需要考慮脈沖的(de)發射角度。

總結一下(xià)整個(gè)計算(suàn)過程：LiDAR系統将激光(guāng)發射向地面，然後記錄下(xià)激光(guāng)脈沖從發射到地面，再從地面反射回系統的(de)時(shí)間；根據這(zhè)個(gè)時(shí)間結合光(guāng)速可(kě)以計算(suàn)出距離，系統再根據飛(fēi)機高(gāo)度、姿态以及脈沖角度，計算(suàn)出地表物(wù)體的(de)高(gāo)度；同時(shí)根據GPS接收器的(de)信息得(de)到地面物(wù)體的(de)空間坐(zuò)标。所有這(zhè)些信息都被記錄在計算(suàn)機裏，這(zhè)就是機載LiDAR的(de)基本工作原理(lǐ)。

LiDAR系統還(hái)有一個(gè)非常重要的(de)特性，就是它所發出的(de)脈沖不僅會到達樹頂并返回，有時(shí)候也(yě)可(kě)以穿透某些地物(wù)。就好像陽光(guāng)照(zhào)進樹林(lín)中一樣，LiDAR的(de)光(guāng)束也(yě)同樣可(kě)以穿透樹冠，并反射樹冠以下(xià)的(de)部分(fēn)。LiDAR系統這(zhè)種不僅可(kě)以記錄樹頂反射信息，而且可(kě)以穿過樹冠直達地面的(de)特性，使得(de)LiDAR系統成爲在林(lín)業研究中非常有用(yòng)的(de)工具。這(zhè)種可(kě)以穿透樹冠并提供多(duō)次回波的(de)特性，可(kě)以告訴我們有關樹林(lín)結構的(de)更多(duō)信息。比如，它可(kě)以告訴我們樹的(de)形狀，或者樹林(lín)樹葉的(de)密度，有時(shí)甚至可(kě)以提供樹林(lín)裏地面灌木(mù)的(de)情況。

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