LiDAR 完整指南介绍：激光探测和测距

什么是激光探测和测距 (LiDAR)？

LiDAR 的全称是 Light Detection and Ranging (激光探测及测距)，LIDAR 是一种主动测量方式，主要由激光发射部分、接收部分组成、信号处理部分组成，从其名称可以发现 LIDAR 的两个主要基本功能是测距和探测。根据具体应用，可以使用不同的波长，但最常用的是红外线(IR)。LIDAR 应用于很多领域，主要包括但不限于以下学科：计算机视觉、自动化、机电、测绘、机械、土木等。每个学科侧重点不一样，大致有以下具体应用：无人驾驶、机器人、移动测量、工业元件检测、BIM 等。

LiDAR 101

LiDAR 从根本上说是一种距离技术，LiDAR 系统从飞机或直升机上向地面发送光线。该脉冲撞击地面并返回到传感器。它测量光线返回传感器所需的时间，通过记录返回时间，这就是 LiDAR 测量距离的方式。事实上，这也是 LiDAR 得名的原因，激光探测和测距。

LiDAR 的工作原理

LiDAR 是一种采样工具，其每秒发送超过160,000 个脉冲。每秒钟每米的像素会收到大约 15 个脉冲，这就是 LiDAR 点云创建数百万个点的原因。

LiDAR 系统非常准确，因其在平台中控制，例如，垂直方向的精度仅为15厘米，水平方向的精度为40厘米。当飞机在空中飞行时，LiDAR 装置从一侧到另一侧扫描地面，虽然有些脉冲将直接低于最低点，但大多数脉冲以一定角度（偏离最低点）传播，因此，当 LiDAR 系统计算高程时，它还会考虑角度问题。通常，线性 LiDAR 的条带宽度为3，300英尺。但像 Geiger LiDAR 等新技术可以扫描 16，000 英尺的宽度。与传统的 LiDAR 相比，这种类型的 LiDAR 可以覆盖更广泛的占地面积。

LiDAR 可以生成什么？

1.返回次数

想象一下，当在森林里徒步旅行时，你仰望天空，如果能看到光，这意味着 LiDAR 脉冲也可以穿过。此外，这也表示 LiDAR 可以击中裸露的地面或矮小的植被。

大量的光线就像阳光一样穿透森林的树冠。但 LiDAR 不一定只会击中裸露的地面。在森林地区，它可以反射到森林的不同部分，直到脉冲最终到达地面。通过使用 LiDAR 获取裸露的地面点，就不会用 X 射线穿透植被。相反，实际上是在透过树叶的缝隙窥视。当它击中树枝时，会获得多次击中或返回。

2.返回编号

在森林中，激光脉冲向下移动。当光线照射到森林的不同部分时，会得到“返回编号”。例如，将获得第 1 次、第 2 次、第 3 次返回，直到它最终击中裸露的地面。如果没有森林阻隔，它就会撞到地面。有时光脉冲不会反射任何东西。与树木的情况一样，一个光脉冲可以有多个回波。LiDAR 系统可以记录从树冠顶部开始，通过树冠一直到地面的信息。这使得 LiDAR 对了解森林结构和树木的形状很有价值。

3.数字高程模型

数字高程模型 （DEM） 是地球表面的裸露地球（地形）模型。通过仅使用地面回波，即可以构建 DEM。但这与数字地形模型 （DTM） 不同，DTM 包含等高线。通过使用 DEM，可生成其他产品。例如，可以创建：

• 斜率（以度数或百分比表示的上升或下降）；
• 坡向（坡度方向）；
• 山体阴影（考虑照明角度的地形阴影）。

4.数字表面模型

正如大家所了解的，LiDAR 在森林中进行观察，最终光线到达地面，可看到裸地返回。数字曲面模型（DSM）结合了自然曲面和建筑曲面的高程。例如，它增加了建筑物、树冠、电力线和其他要素的高程。

5.冠层高度模型

冠层高度模型 (CHM) 能够提供地面地形特征的真实高度，通常还将这种高程模型称为归一化数字表面模型 (nDSM)。首先，采用包含自然和建筑特征（如树木和建筑物）的 DSM。接下来，从裸地 (DEM) 中减去这些高程。当将两者相减时，会显示表面特征，它代表了离地面的真实高度。

6.光强度

LiDAR 回波的强度随反射回波表面物体的组成而变化。反射百分比称为 LiDAR 强度。但是有几种因素会影响光强度。例如，距离、入射角、光束、接收器和表面成分等。当脉冲倾斜得更远时，返回能量会减少。光强度对于区分土地利用和覆盖特征用处较大。例如，不透水表面在光强图像中非常突出。这就是为什么光强度适合于图像分类，如基于对象的图像分析。

7.点分类

美国摄影测量与遥感协会 (ASPRS) 为 LiDAR 点分类分配了一组分类代码。例如，类别可以包括地面、植被（低、中、高）、建筑物和水等。某种情况下，点分类可能属于多个类别。如果是这种情况，通常会将这些点标记为次要类别。

供应商可能会也可能不会对 LiDAR 进行分类。代码由反射的激光脉冲以半自动方式生成。并非所有供应商都添加此 LAS 分类字段。实际上，通常是事先在合同中约定的。

开放和免费的 LiDAR 资源

LiDAR 数据是一种稀有而珍贵的资源，由于开放数据程序，它们变得越来越广泛。关于 LiDAR 数据的更多详情，请参阅 6 大免费 LiDAR 数据源的列表（https://gisgeography.com/top-6-free-lidar-data-sources/）。

LiDAR 有哪些类型？

LiDAR 系统的类型不同之处在于：

• 占地面积
• 波长
• 位置对齐

Profiling LiDAR

Profiling LiDAR 是20世纪80年代第一个使用的系统，它致力于研究电力线等直线特征。Profiling LiDAR 在一条线上发出单独的脉冲，在固定的最低点，沿单个样带测量高度。

小型 LiDAR

小型 LiDAR 是如今主要使用的一种。它以大约 20 度的扫描角度进行扫描，并前后移动。如果超过 20 度，LiDAR 仪器可能会开始看到树木的侧面，而不是直接向下的角度。

• 地形 LiDAR 通常使用近红外光绘制土地；
• 测深 LiDAR 利用透水绿光来测量海底和河床高度。

大尺寸 LiDAR

大尺寸 LiDAR 使用 20m 尺寸的完整波形，但其精度很低，脉冲返回可以包括倾斜的地形，NASA 的两项著名实验使用了这种类型的 LiDAR：

• SLICER（通过回声恢复扫描树冠 LiDAR 成像仪）；
• LVIS（激光植被成像传感器）。

地面 LiDAR

地面 LiDAR 安装在三脚架上，扫描半球，它特别适合扫描建筑物，在地质学、林业和建筑业也有一定的应用。

Geiger（盖革） 模式 LiDAR

盖革模式 LiDAR 仍处于体验状态。它专门从事高空扫描，由于扫描范围极广，因此与其他类型的 LiDAR 相比，它可以覆盖更多的地面范围。

LiDAR 系统组件

机载 LiDAR 有 4 个主要部分。它们协同工作，产生高度准确、可用的结果，内容如下：

• LiDAR 传感器： 当飞机飞行时，传感器会左右扫描地面。脉冲通常在绿色或近红外波段。
• GPS 接收器： GPS 接收器跟踪飞机的高度和位置。该轨迹对于准确的地形和高程值很重要。
• 惯性测量单元 (IMU)： 当飞机飞行时，IMU 会跟踪其倾斜度。LiDAR 系统使用倾斜来准确测量脉冲的入射角。
• 数据记录器：当 LiDAR 扫描表面时，计算机会记录所有脉冲返回，这些记录被转换成海拔高度。

全波形 vs 离散波形

LiDAR 系统以两种方式存储返回的数据：

• 全波形
• 离散 LiDAR

离散 LiDAR

想象一下 LiDAR 脉冲扫描森林区域，会得到第 1、第 2、第 3 次回波，由于脉冲击中多个分支，通过裸地返回得到一个大的最终脉冲。当将数据记录为单独的回波时，这就是“离散回波 LiDAR”。简而言之，离散 LiDAR 获取每个峰值并分离每个回波。

全波形 LiDAR

当您将整个回波记录为一个连续波时，这就是全波形 LiDAR。因此，只需计算峰值，就能使其离散。尽管全波形数据更加复杂，但 LiDAR 正在向全波形系统迈进。

LiDAR 项目和应用

• 林业：林业人员利用 LiDAR 更好地了解树木的结构和形状；
• 自动驾驶汽车：自动驾驶汽车利用 LiDAR 扫描仪检测行人、骑自行车的人、停车标志和其他障碍物；
• 考古学：考古学家利用 LiDAR 在地面上寻找方形图案，这些图案是玛雅和埃及文明建造的古老建筑和金字塔；
• 水文：水文学家根据 LiDAR 划定河流秩序和支流。