深入了解 LiDAR 技術(shù)以及基于 LiDAR 的測量

什么是 LiDAR？

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

·         激光雷達傳感器如何工作？

依靠激光雷達傳感器，掃描儀每秒可以發(fā)射數(shù)百萬個激光脈沖。每個脈沖返回掃描儀，使用光速計算物體與傳感器之間的距離，稱為飛行時間 (ToF)。結(jié)果是空間中的一個點，所有這些點的組合創(chuàng)建了一個密集的 3D 可視化，稱為點云數(shù)據(jù)。

·         雷達和激光雷達有什么區(qū)別？

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

LiDAR 的起源

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

這三種技術(shù)的主要目的是通過波的反射和探測來檢測和測量到物體或表面的距離。每個系統(tǒng)都使用高精度計時裝置來測量從發(fā)射的能量（無論是聲音還是電磁輻射）傳播到物體或表面所需的時間。利用這個持續(xù)時間和聲音/輻射的速度，可以準確計算出范圍。

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

·      雷達通常用于空中應(yīng)用，例如空中交通管制、國防、天氣預(yù)報，甚至探測地下物體。雷達系統(tǒng)通常體積龐大、價格昂貴且專業(yè)化，因此通常無法用于普通商業(yè)用途。

·      典型的激光雷達應(yīng)用包括地形和植被調(diào)查與測繪。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。與當今時代的許多技術(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 新智能手機的標準設(shè)備。

激光是激光雷達技術(shù)的關(guān)鍵

激光雷達使用激光技術(shù)發(fā)射具有所需波長的光（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，隨著時間的推移，其波長、偏振和方向都是一致的。這些特性使激光束的波長范圍非常窄，使其具有獨特的單一（單色）顏色（如果是可見光），并且聚焦得非常緊密，從而形成典型的長而窄的光束，而不是向四面八方擴散的光束。

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

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

激光雷達的一個非常特別之處在于，激光發(fā)射可能會發(fā)生多次反射，具體取決于測量現(xiàn)場條件和激光穿透角度。與攝影測量（基于攝影圖像的）測量相比，激光雷達的優(yōu)勢在于，它能夠在一定程度上過濾植被，就像光線穿過森林樹冠到達森林地面一樣，并且能夠接收來自同一發(fā)射的多次反射。也就是說，一些光子會從葉子的一部分反射，例如，另一些光子會從樹枝反射，還有一些光子會從地面反射。反射光中的能量（光子數(shù)量或反射光的強度）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，這意味著可以測量到地面的距離以及到樹梢和中間物體的距離，這使得激光雷達成為茂密植被地區(qū)地形測量的絕佳工具。

為什么無人機激光雷達在測量中如此受歡迎？

為了與小規(guī)模和更實惠的激光雷達測量商業(yè)應(yīng)用保持一致，我們將忽略有人駕駛飛機的激光雷達測量，而專注于無人機（無人駕駛/無人駕駛飛行器）或“無人機”。

無人機出現(xiàn)的時間比我們想象的要長得多，然而，自 2006 年以來，無人機進入了商業(yè)領(lǐng)域，幾年后又進入了個人市場。自那以后，無人機使用量激增，有人稱之為“無人機革命”，這對激光雷達測量的發(fā)展起到了重要作用。無人機通?？梢韵蛉魏畏较蝻w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行測量和檢查。

可以肯定地說，自 20 世紀 60 年代首次出現(xiàn)以來，激光雷達的發(fā)展一直在加速，因為 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）接收器和慣性測量單元(IMU) 在 20 世紀 80 年代開始商業(yè)化。GNSS 和 IMU 技術(shù)可以實現(xiàn)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航，并能詳細了解車輛運動，這為無人機開辟了一個全新的可能性世界。如果將無人機、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和激光雷達結(jié)合在一起，就可以制造出一種部署簡單且相對便宜的車輛，它可以提供出色的周圍環(huán)境測繪效果，并以地球表面的絕 對位置為參考。

隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，激光雷達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，掃描速度和由此產(chǎn)生的測量分辨率也在提高。目前，最快的掃描儀可以以驚人的每秒 200 萬個點甚至更高的速度運行，提供極其詳細的點云。同樣，激光雷達掃描儀的測距距離也在增加，允許掃描儀在更高的海拔或更遠的測量地點使用，同時仍能產(chǎn)生可接受的結(jié)果。

高分辨率無人機激光雷達測量的速度和多功能性與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比有很多優(yōu)勢，例如：

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

·         速度– 易于操作和部署的設(shè)備組合能夠快速準確地覆蓋大面積區(qū)域，大大加快了勘測時間。對獲取的數(shù)據(jù)進行后期處理，可以在數(shù)小時內(nèi)向客戶提供勘測結(jié)果。

·         安全性——無需人員到現(xiàn)場進行勘測，可使他們遠離危險，尤其是在交通不便或地形危險的地區(qū)。這延伸到其他高風險勘測現(xiàn)場；例如，高空檢查和高壓裝置。

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

·         環(huán)境——與以前的技術(shù)相比，無人機激光雷達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)機會——由于成本相對較低且在蓬勃發(fā)展的勘測和檢查市場中的重要性日益增加，無人機激光雷達繼續(xù)成為一個優(yōu) 秀的商業(yè)平臺。

其他實用的激光雷達測量應(yīng)用

激光雷達的應(yīng)用范圍遠遠超出了航空地形測量。事實上，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)霈F(xiàn)基于激光雷達的解決方案。激光雷達技術(shù)的優(yōu)點在于它適用于大量傳統(tǒng)上需要大量勞動力、時間和相關(guān)成本的應(yīng)用。以下是一些示例：

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

·      道路測量——車載激光雷達可用作自動化系統(tǒng)的一部分，用于評估道路狀況并識別和地理參考需要維護的區(qū)域以及所需采取的行動類型和程度。

·      城鎮(zhèn)和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃——簡化、快速且經(jīng)濟高效的無人機激光雷達測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環(huán)境的市政任務(wù)，例如公園和娛樂場所以及劃分開發(fā)用地。
公用設(shè)施檢查——困難且危險的檢查任務(wù)，例如大壩墻、高層建筑施工現(xiàn)場、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。無人機激光雷達可以提供可快速分析和處理的詳細圖像。使用無人機激光雷達在減少工作人員數(shù)量和使用專用車輛方面節(jié)省的成本對于可持續(xù)和可重復(fù)的檢查至關(guān)重要。

·      精準農(nóng)業(yè)——精準農(nóng)業(yè)實踐嚴重依賴多種傳感器技術(shù)，為農(nóng)民提供農(nóng)場和土地總體狀況的深入洞察。例如，無人機上安裝的激光雷達可以提供高精度位置數(shù)據(jù)，用于識別害蟲、疾病、雜草和圍欄損壞等。安裝在地面車輛或機器人上的激光雷達可用于計算樹上的果實數(shù)量，評估作物狀況，以及越來越多可以自動化或簡化的任務(wù)，讓農(nóng)民專注于經(jīng)營農(nóng)場，不再需要執(zhí)行一些比較瑣碎的活動。

·      沿海測深——激光雷達的進步使淺水航空測深激光雷達 (ABL) 成為可能。在適當條件下，可以使用飛機或無人機安裝的激光雷達代替水上船只和傳統(tǒng)的基于聲納的測深測繪，不僅可以繪制海床表面，還可以同時繪制沿海邊緣。ABL 測量的速度比傳統(tǒng)聲納測深快很多倍，其好處顯而易見。

人工智能和機器學習增強激光雷達技術(shù)

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

人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 軟件是可以與激光雷達一起使用并取得巨大成功的技術(shù)。隨著激光雷達分辨率的提高，物體識別和分類的能力也隨之提高。AI/ML 軟件通常在實驗室中“訓練”，以根據(jù)形狀和大小特征識別物體、生物或現(xiàn)象。此外，隨著激光雷達點云分辨率的提高，復(fù)雜的自動化分析也成為可能，這使得更復(fù)雜的形狀和更小尺寸的物體變得可識別。

新型和改進的遙感技術(shù)正在迅速擴大數(shù)據(jù)采集范圍。例如，用于農(nóng)業(yè)的大氣和地面化學成分高光譜成像。通過將來自第三方傳感器的信息與激光雷達和導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合，得到的測量點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)類型也變得越來越普遍，而不是使用不同的傳感設(shè)備進行多次調(diào)查，這可以節(jié)省時間、降低客戶成本并最 大限度地減少排放。