一篇文章講透機載LIDAR的工作原理

LiDAR，是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，是一種采用激光對地面物體的高度進行量測的方式。聲納使用聲波描述物體，雷達使用無線電波描述物體，而LiDAR使用的是激光。

生活中常見的激光有些用于條形碼掃描、有些用于制作華麗的聲光，甚至是用于脫毛。而激光是如何用來測量物體的呢？

目前獲取LiDAR數(shù)據(jù)有三種不同的方式，分別是從地面獲取的車載LiDAR、從飛機上獲取的機載LiDAR，以及從太空中獲取的星載LiDAR，其中機載LiDAR在自然資源方面的應用最為普遍。

要了解機載LiDAR是如何測量物體高度的，首先要了解它的四個組成部分。

第一個組成部分，就是安裝在飛機上的LiDAR設備本身，該設備用于對地面進行逐行掃描。LiDAR系統(tǒng)所發(fā)出的是綠光或近紅外光，因為地表的植被會對這兩種光產(chǎn)生較強的反射。

第二個組成部分是GPS接收器，它用于記錄飛機的高度和X/Y坐標。

第三個部分是慣性測量單元（IMU），用于記錄飛機在飛行時的姿態(tài)數(shù)據(jù)，這對于后面物體高度的計算精度非常重要。

LiDAR系統(tǒng)的最后一部分是計算機，用來記錄飛機在飛行過程中對地面掃描所采集到的各種信息?？梢哉f沒有計算機，就沒有數(shù)據(jù)。

那么，這四部分組合在一起，是如何產(chǎn)生如此精細、用途廣泛的數(shù)據(jù)集的？其實LiDAR系統(tǒng)的激光在對地面進行掃描時，是對地面發(fā)射光束。

這里要先解釋一下激光發(fā)射的兩個關鍵概念：

第一，什么是“脈沖”？ “脈沖”其實是LiDAR的激光產(chǎn)生并發(fā)射出的光能。

第二，什么是“回波”？“回波”指的是被反射并由傳感器記錄下的光能。

這兩個概念看起來似乎都和高度沒什么關系。

為了獲取高度，LiDAR系統(tǒng)會記錄脈沖從發(fā)射并反射回傳感器所花費的時間。然后，系統(tǒng)根據(jù)記錄的時間結合光速，計算出地面物體表面到激光發(fā)射器的距離。

詳細的計算過程是用記錄的時間乘以光速，再除以2。之所以要除以2，是因為記錄的時間是包括到達地面并返回的雙向時間。

這樣計算得到的結果就是激光從飛機到地面的通行距離。

但僅僅得到飛機到地面的通行距離還不夠，還需要知道地面的高程。從飛機上的GPS接收器上可以得到飛機的飛行高度，然后減去剛才計算得到的飛機到地面的距離，其結果就是地面高程。

這就是用激光測量地面高程的基本原理。

基本概念了解后，還需要再考慮兩個因素。

首先是飛機在空中會受氣流的影響而顛簸，這種波動會被機上的慣性測量單元（IMU）所記錄。這個因素需要在計算高度時加以考慮。

另外，由于機載LiDAR在飛行過程中，會對地面進行逐行掃描，可以覆蓋大面積區(qū)域。這其中有些脈沖是垂直于地面發(fā)射的，稱為NADIR。但大多數(shù)脈沖還是傾斜發(fā)射出去的，稱為OFF-NADIR。在計算高度時，必須還需要考慮脈沖的發(fā)射角度。

總結一下整個計算過程：LiDAR系統(tǒng)將激光發(fā)射向地面，然后記錄下激光脈沖從發(fā)射到地面，再從地面反射回系統(tǒng)的時間；根據(jù)這個時間結合光速可以計算出距離，系統(tǒng)再根據(jù)飛機高度、姿態(tài)以及脈沖角度，計算出地表物體的高度；同時根據(jù)GPS接收器的信息得到地面物體的空間坐標。所有這些信息都被記錄在計算機里，這就是機載LiDAR的基本工作原理。

LiDAR系統(tǒng)還有一個非常重要的特性，就是它所發(fā)出的脈沖不僅會到達樹頂并返回，有時候也可以穿透某些地物。就好像陽光照進樹林中一樣，LiDAR的光束也同樣可以穿透樹冠，并反射樹冠以下的部分。LiDAR系統(tǒng)這種不僅可以記錄樹頂反射信息，而且可以穿過樹冠直達地面的特性，使得LiDAR系統(tǒng)成為在林業(yè)研究中非常有用的工具。這種可以穿透樹冠并提供多次回波的特性，可以告訴我們有關樹林結構的更多信息。比如，它可以告訴我們樹的形狀，或者樹林樹葉的密度，有時甚至可以提供樹林里地面灌木的情況。

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