激光雷達探測技術新進展

激光雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR），是一種可以安裝在不同遙感平臺上的激光探測、測距和定位系統。它集激光測距、慣性測量、高精度定位等技術于一體，通過記錄單個激光信號從發射到接收被地物反射的能量所歷經的時間，并根據信號發出瞬間由定位定姿系統（POS）測定的激光掃描系統的位置和姿態，可以計算出地物目標的三維坐標，并繪制地形圖。

 機載激光雷達成像原理示意圖

與常規攝影測量和遙感技術相比，利用激光雷達技術進行遙感數據獲取具有采集速度快、自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、幾何精度高等特點，是獲取高分辨率三維地球空間信息的一種新的技術手段。

激光雷達遙感作業時采用的搭載平臺包括地面、車載、機載、船載、星載等多種遙感平臺。其中，商業化的激光雷達系統以地面、車載及機載平臺為主。其中的有人機載平臺包括大型固定翼飛機及直升機平臺，無人機載平臺包括固定翼無人機、無人直升機、多旋翼無人機等。

以機載、車載激光雷達系統為例，典型的系統一般由以下主要部件組成：一套高精度定位定姿系統（POS），主要包括一個用于確定掃描投影中心的空間位置的動態差分GNSS接收機，以及一個用于高精度傳感器空間姿態參數測量的慣性測量單元（IMU）；激光掃描測距系統，用于測量傳感器到地面點的距離；一套成像裝置（主要是數碼相機），用于獲取對應地面的彩色數碼影像,用于最終制作正射影像；一個控制與存儲系統，用于控制激光掃描測距系統、GPS、IMU以及成像裝置工作并存儲獲取的數據；一個操作終端，用于作業員對設備進行操作及狀態監控；配套數據處理軟件，如POS數據處理軟件、點云生成軟件等。

作業時，根據激光掃描儀測量的回波角度、距離，結合慣性測量單元（IMU）與差分GNSS測量的空間位置和姿態以及它們之間的幾何位置關系，經過幾何后處理可直接獲取目標物的高密度三維點云空間位置信息，如圖所示。

利用機載激光雷達獲取的激光點云

由于一般的機載激光雷達系統都搭載有航空數碼成像系統進行緊密集成，可以無需地面控制點直接獲取地面點三維坐標并快速生成正射影像、建立區域三維表面模型或實體三維模型。獲得數據成果除可以應用于測繪生產外，還可以廣泛應用于鐵路、交通、電力、林業、水利、海洋、地質、公安、石油等部門。 

激光雷達技術最早起源于20世紀60年代初期，主要用于氣象研究中云的測量。1971年，美國宇航局使用阿波羅15號飛船上搭載的激光高度計進行了月球制圖，隨后受到廣泛關注。20世紀70年代中期開始，美國等國先后試驗成功了用于深海測深和水道測量的機載激光測距系統。20世紀80年代末，GPS定位技術的成功應用使得機載激光斷面測量系統開始在一定范圍內應用。20世紀90年代初，隨著高精度GPS定位技術以及慣性導航技術（INS）的發展，為從空中直接、快速獲取大范圍地面目標的三維位置奠定了技術基礎，并使得機載斷面測量系統開始被激光掃描系統代替。機載激光掃描系統最早于1992年秋開始在美國實驗室有研制的樣機，其后看到試驗成果。1996年國際攝影測量遙感學會（ISPRS）維也納國際會議開始有一家機載激光掃描系統廠商參展，后來又有更多的廠商及更多的服務提供商進入機載激光掃描系統研究領域。目前國際上激光掃描系統主要廠商有Leica GeoSystems、Riegl、Optech、TopoSys、Trimble等。我國的中國科學院遙感應用研究所于20世紀90年代末在國家863計劃支持下研制了中國機載激光三維成像儀，并成功開展了應用試驗。2010年后，我國中科院光電院、北京北科天繪公司、北京四維遠見公司等相關研究單位和公司推出了商用化的機載激光掃描系統、車載激光掃描系統，實現了激光掃描設備的國產化。

目前，隨著傳統行業對高精度地形地物測繪需求的擴大，以及無人機、無人車以及室內導航與位置服務等新型應用的興起，國內激光雷達技術應用正在進入蓬勃發展的新時代。同時，隨著激光雷達器件的技術進步，激光雷達系統在性能得到提升的同時，傳感器也越來越小型化。以機載激光雷達系統為例，從原來的上百公斤的大型系統，到目前流行的10-30公斤的便攜式小型系統。近年來，已經出現了可搭載于多旋翼無人機的2公斤左右重量的近距離激光雷達系統。

盡管近兩年來激光雷達技術及其應用已得到蓬勃發展，但其在發展過程仍然存在一些待解決的問題，需要在今后的發展過程中進一步完善。

首先，激光雷達設備成本較高，規模化、批量化生產能力較弱。目前激光雷達系統設備的生產加工往往為按訂單生產或小批量加工方式，自動化水平較低，生產、裝配成本較高，導致其在相關領域應用普及較慢，還不能滿足應用快速發展的需求。隨著技術的發展，激光成像器件將由掃描成像激光雷達向固態成像激光雷達發展，可望進一步降低生產成本，實現大批量、規模化生產。

其次，激光器性能和數據采集效率還有待進一步提升。隨著用戶對大區域高密度點云的需求持續擴大，需要在獲取高密度點云時保證較高的數據采集效率。然而，由于激光衍射極限限制，目前激光器探測能力已經逐漸逼近探測極限。因此，改進探測器的性能成為當務之急。單光子/量子成像激光雷達將成為未來激光雷達未來發展的重要方向。譬如，美國出現的蓋格模式激光雷達，可在數萬米高空獲取每平米幾十個點的高密度激光點云，可大大提高點云獲取的效率。

然后，高性能、低成本、小型化激光雷達系統需求迫切。大型激光雷達設備勢必需要搭載在大型平臺上，機載雷達所需的大型無人機和有人機成本過高；同時，小型激光雷達系統受多旋翼無人機續航能力及自身性能限制，其作業時間較短，數據采集效率不高；此外，無人駕駛汽車技術的發展對小型化、低成本激光雷達的需求提出了更高的要求。這些需求成為推動激光雷達設備進一步小型化的動力。

在數據后處理軟件的成熟度方面，當前點云數據處理還處在發展完善階段，尤其是面向終端用戶滿足行業應用需求的定制化軟件還處在不斷發展完善中。