一篇文章讲透机载LIDAR的工作原理

LiDAR，是激光探测及测距系统的简称，是一种采用激光对地面物体的高度进行量测的方式。声纳使用声波描述物体，雷达使用无线电波描述物体，而LiDAR使用的是激光。

生活中常见的激光有些用于条形码扫描、有些用于制作华丽的声光，甚至是用于脱毛。而激光是如何用来测量物体的呢？

目前获取LiDAR数据有三种不同的方式，分别是从地面获取的车载LiDAR、从飞机上获取的机载LiDAR，以及从太空中获取的星载LiDAR，其中机载LiDAR在自然资源方面的应用最为普遍。

要了解机载LiDAR是如何测量物体高度的，首先要了解它的四个组成部分。

第一个组成部分，就是安装在飞机上的LiDAR设备本身，该设备用于对地面进行逐行扫描。LiDAR系统所发出的是绿光或近红外光，因为地表的植被会对这两种光产生较强的反射。

第二个组成部分是GPS接收器，它用于记录飞机的高度和X/Y坐标。

第三个部分是惯性测量单元（IMU），用于记录飞机在飞行时的姿态数据，这对于后面物体高度的计算精度非常重要。

LiDAR系统的最后一部分是计算机，用来记录飞机在飞行过程中对地面扫描所采集到的各种信息。可以说没有计算机，就没有数据。

那么，这四部分组合在一起，是如何产生如此精细、用途广泛的数据集的？其实LiDAR系统的激光在对地面进行扫描时，是对地面发射光束。

这里要先解释一下激光发射的两个关键概念：

第一，什么是“脉冲”？ “脉冲”其实是LiDAR的激光产生并发射出的光能。

第二，什么是“回波”？“回波”指的是被反射并由传感器记录下的光能。

这两个概念看起来似乎都和高度没什么关系。

为了获取高度，LiDAR系统会记录脉冲从发射并反射回传感器所花费的时间。然后，系统根据记录的时间结合光速，计算出地面物体表面到激光发射器的距离。

详细的计算过程是用记录的时间乘以光速，再除以2。之所以要除以2，是因为记录的时间是包括到达地面并返回的双向时间。

这样计算得到的结果就是激光从飞机到地面的通行距离。

但仅仅得到飞机到地面的通行距离还不够，还需要知道地面的高程。从飞机上的GPS接收器上可以得到飞机的飞行高度，然后减去刚才计算得到的飞机到地面的距离，其结果就是地面高程。

这就是用激光测量地面高程的基本原理。

基本概念了解后，还需要再考虑两个因素。

首先是飞机在空中会受气流的影响而颠簸，这种波动会被机上的惯性测量单元（IMU）所记录。这个因素需要在计算高度时加以考虑。

另外，由于机载LiDAR在飞行过程中，会对地面进行逐行扫描，可以覆盖大面积区域。这其中有些脉冲是垂直于地面发射的，称为NADIR。但大多数脉冲还是倾斜发射出去的，称为OFF-NADIR。在计算高度时，必须还需要考虑脉冲的发射角度。

总结一下整个计算过程：LiDAR系统将激光发射向地面，然后记录下激光脉冲从发射到地面，再从地面反射回系统的时间；根据这个时间结合光速可以计算出距离，系统再根据飞机高度、姿态以及脉冲角度，计算出地表物体的高度；同时根据GPS接收器的信息得到地面物体的空间坐标。所有这些信息都被记录在计算机里，这就是机载LiDAR的基本工作原理。

LiDAR系统还有一个非常重要的特性，就是它所发出的脉冲不仅会到达树顶并返回，有时候也可以穿透某些地物。就好像阳光照进树林中一样，LiDAR的光束也同样可以穿透树冠，并反射树冠以下的部分。LiDAR系统这种不仅可以记录树顶反射信息，而且可以穿过树冠直达地面的特性，使得LiDAR系统成为在林业研究中非常有用的工具。这种可以穿透树冠并提供多次回波的特性，可以告诉我们有关树林结构的更多信息。比如，它可以告诉我们树的形状，或者树林树叶的密度，有时甚至可以提供树林里地面灌木的情况。

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