在武漢大學(xué)珞珈山上，夜間常常有一束綠色的熒光射向蒼穹，與周邊的建筑交相輝映，成為校園內(nèi)一道獨(dú)特的風(fēng)景。這是武漢大學(xué)電子信息學(xué)院易帆教授牽頭的武漢大氣遙感國家野外科學(xué)觀測研究站在進(jìn)行雷達(dá)夜間作業(yè)。

珞珈山上的雷達(dá)站夜間工作圖

日前，由易帆主持的國家重大科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目“快速精準(zhǔn)測量0-35 km大氣溫度和氣溶膠的先進(jìn)拉曼激光雷達(dá)”，通過國家自然科學(xué)基金委員會組織的結(jié)題驗(yàn)收并獲評優(yōu)秀。

五年來，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功研制出具備高時空分辨精準(zhǔn)測量大氣溫度和氣溶膠的先進(jìn)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)。在15分／90米時空分辨率條件下，系統(tǒng)測溫統(tǒng)計(jì)誤差在18公里以內(nèi)小于1K，在35公里以內(nèi)小于2K，氣溶膠體后向散射系數(shù)相對測量誤差在12公里以內(nèi)小于5％，為從近地表到低平流層的大氣結(jié)構(gòu)和動力學(xué)研究等提供了有力支撐。

先進(jìn)拉曼激光雷達(dá)現(xiàn)場工作圖

易帆團(tuán)隊(duì)長期以來致力于激光雷達(dá)遙感探測技術(shù)的發(fā)展，獲得了國家自然科學(xué)基金杰出青年科學(xué)基金和創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目支持。團(tuán)隊(duì)依托武漢大學(xué)遙感國家野外科學(xué)觀測研究站的優(yōu)勢資源和力量，開展了卓有成效的研究，并取得了大量原創(chuàng)性科研成果。團(tuán)隊(duì)成果“建成亞洲功能最強(qiáng)大的中高層大氣激光雷達(dá)綜合探測平臺”，曾入選《科技導(dǎo)報(bào)》中國年度十大重大科學(xué)、技術(shù)和工程進(jìn)展。

什么是激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)（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(tǒng)。它集激光測距、慣性測量、高精度定位等技術(shù)于一體，通過記錄單個激光信號從發(fā)射到接收被地物反射的能量所歷經(jīng)的時間，并根據(jù)信號發(fā)出瞬間由定位定姿系統(tǒng)（POS）測定的激光掃描系統(tǒng)的位置和姿態(tài)，可以計(jì)算出地物目標(biāo)的三維坐標(biāo)，并繪制地形圖。

機(jī)載激光雷達(dá)成像原理示意圖

與常規(guī)攝影測量和遙感技術(shù)相比，利用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)獲取具有采集速度快、自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、幾何精度高等特點(diǎn)，是獲取高分辨率三維地球空間信息的一種新的技術(shù)手段。

激光雷達(dá)遙感作業(yè)時采用的搭載平臺包括地面、車載、機(jī)載、船載、星載等多種遙感平臺。其中，商業(yè)化的激光雷達(dá)系統(tǒng)以地面、車載及機(jī)載平臺為主。其中的有人機(jī)載平臺包括大型固定翼飛機(jī)及直升機(jī)平臺，無人機(jī)載平臺包括固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、多旋翼無人機(jī)等。

以機(jī)載、車載激光雷達(dá)系統(tǒng)為例，典型的系統(tǒng)一般由以下主要部件組成：一套高精度定位定姿系統(tǒng)（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(tài)差分GNSS接收機(jī)，以及一個用于高精度傳感器空間姿態(tài)參數(shù)測量的慣性測量單元（IMU）；激光掃描測距系統(tǒng)，用于測量傳感器到地面點(diǎn)的距離；一套成像裝置（主要是數(shù)碼相機(jī)），用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像,用于最終制作正射影像；一個控制與存儲系統(tǒng)，用于控制激光掃描測距系統(tǒng)、GPS、IMU以及成像裝置工作并存儲獲取的數(shù)據(jù)；一個操作終端，用于作業(yè)員對設(shè)備進(jìn)行操作及狀態(tài)監(jiān)控；配套數(shù)據(jù)處理軟件，如POS數(shù)據(jù)處理軟件、點(diǎn)云生成軟件等。

作業(yè)時，根據(jù)激光掃描儀測量的回波角度、距離，結(jié)合慣性測量單元（IMU）與差分GNSS測量的空間位置和姿態(tài)以及它們之間的幾何位置關(guān)系，經(jīng)過幾何后處理可直接獲取目標(biāo)物的高密度三維點(diǎn)云空間位置信息，如圖所示。

利用機(jī)載激光雷達(dá)獲取的激光點(diǎn)云

由于一般的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)都搭載有航空數(shù)碼成像系統(tǒng)進(jìn)行緊密集成，可以無需地面控制點(diǎn)直接獲取地面點(diǎn)三維坐標(biāo)并快速生成正射影像、建立區(qū)域三維表面模型或?qū)嶓w三維模型。獲得數(shù)據(jù)成果除可以應(yīng)用于測繪生產(chǎn)外，還可以廣泛應(yīng)用于鐵路、交通、電力、林業(yè)、水利、海洋、地質(zhì)、公安、石油等部門。

激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展歷程

激光雷達(dá)技術(shù)最早起源于20世紀(jì)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(jì)進(jìn)行了月球制圖，隨后受到廣泛關(guān)注。20世紀(jì)70年代中期開始，美國等國先后試驗(yàn)成功了用于深海測深和水道測量的機(jī)載激光測距系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末，GPS定位技術(shù)的成功應(yīng)用使得機(jī)載激光斷面測量系統(tǒng)開始在一定范圍內(nèi)應(yīng)用。20世紀(jì)90年代初，隨著高精度GPS定位技術(shù)以及慣性導(dǎo)航技術(shù)（INS）的發(fā)展，為從空中直接、快速獲取大范圍地面目標(biāo)的三維位置奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，并使得機(jī)載斷面測量系統(tǒng)開始被激光掃描系統(tǒng)代替。機(jī)載激光掃描系統(tǒng)最早于1992年秋開始在美國實(shí)驗(yàn)室有研制的樣機(jī)，其后看到試驗(yàn)成果。1996年國際攝影測量遙感學(xué)會（ISPRS）維也納國際會議開始有一家機(jī)載激光掃描系統(tǒng)廠商參展，后來又有更多的廠商及更多的服務(wù)提供商進(jìn)入機(jī)載激光掃描系統(tǒng)研究領(lǐng)域。目前國際上激光掃描系統(tǒng)主要廠商有Leica GeoSystems、Riegl、Optech、TopoSys、Trimble等。我國的中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所于20世紀(jì)90年代末在國家863計(jì)劃支持下研制了中國機(jī)載激光三維成像儀，并成功開展了應(yīng)用試驗(yàn)。2010年后，我國中科院光電院、北京北科天繪公司、北京四維遠(yuǎn)見公司等相關(guān)研究單位和公司推出了商用化的機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光掃描設(shè)備的國產(chǎn)化。

目前，隨著傳統(tǒng)行業(yè)對高精度地形地物測繪需求的擴(kuò)大，以及無人機(jī)、無人車以及室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)等新型應(yīng)用的興起，國內(nèi)激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用正在進(jìn)入蓬勃發(fā)展的新時代。同時，隨著激光雷達(dá)器件的技術(shù)進(jìn)步，激光雷達(dá)系統(tǒng)在性能得到提升的同時，傳感器也越來越小型化。以機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)為例，從原來的上百公斤的大型系統(tǒng)，到目前流行的10-30公斤的便攜式小型系統(tǒng)。近年來，已經(jīng)出現(xiàn)了可搭載于多旋翼無人機(jī)的2公斤左右重量的近距離激光雷達(dá)系統(tǒng)。

激光雷達(dá)技術(shù)還存在的問題

盡管近兩年來激光雷達(dá)技術(shù)及其應(yīng)用已得到蓬勃發(fā)展，但其在發(fā)展過程仍然存在一些待解決的問題，需要在今后的發(fā)展過程中進(jìn)一步完善。

首先，激光雷達(dá)設(shè)備成本較高，規(guī)?；⑴炕a(chǎn)能力較弱。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)加工往往為按訂單生產(chǎn)或小批量加工方式，自動化水平較低，生產(chǎn)、裝配成本較高，導(dǎo)致其在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用普及較慢，還不能滿足應(yīng)用快速發(fā)展的需求。隨著技術(shù)的發(fā)展，激光成像器件將由掃描成像激光雷達(dá)向固態(tài)成像激光雷達(dá)發(fā)展，可望進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)大批量、規(guī)?；a(chǎn)。

其次，激光器性能和數(shù)據(jù)采集效率還有待進(jìn)一步提升。隨著用戶對大區(qū)域高密度點(diǎn)云的需求持續(xù)擴(kuò)大，需要在獲取高密度點(diǎn)云時保證較高的數(shù)據(jù)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(jīng)逐漸逼近探測極限。因此，改進(jìn)探測器的性能成為當(dāng)務(wù)之急。單光子/量子成像激光雷達(dá)將成為未來激光雷達(dá)未來發(fā)展的重要方向。譬如，美國出現(xiàn)的蓋格模式激光雷達(dá)，可在數(shù)萬米高空獲取每平米幾十個點(diǎn)的高密度激光點(diǎn)云，可大大提高點(diǎn)云獲取的效率。

然后，高性能、低成本、小型化激光雷達(dá)系統(tǒng)需求迫切。大型激光雷達(dá)設(shè)備勢必需要搭載在大型平臺上，機(jī)載雷達(dá)所需的大型無人機(jī)和有人機(jī)成本過高；同時，小型激光雷達(dá)系統(tǒng)受多旋翼無人機(jī)續(xù)航能力及自身性能限制，其作業(yè)時間較短，數(shù)據(jù)采集效率不高；此外，無人駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展對小型化、低成本激光雷達(dá)的需求提出了更高的要求。這些需求成為推動激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)一步小型化的動力。

在數(shù)據(jù)后處理軟件的成熟度方面，當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理還處在發(fā)展完善階段，尤其是面向終端用戶滿足行業(yè)應(yīng)用需求的定制化軟件還處在不斷發(fā)展完善中。

激光雷達(dá)技術(shù)的典型應(yīng)用

利用獲取的激光點(diǎn)云，通過去除部分噪聲點(diǎn)并進(jìn)行柵格化，可以快速生成高質(zhì)量的數(shù)字表面模型（DSM）。同時，如利用自動化方法結(jié)合人工編輯對激光點(diǎn)云進(jìn)行進(jìn)一步的濾波操作，濾除其中的非地面點(diǎn)并進(jìn)行柵格化，可以得到高質(zhì)量的數(shù)字地形模型（DEM）。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)獲取的高精度激光點(diǎn)云和地形三維模型，可以為勘察設(shè)計(jì)提供斷面量測、坡度坡向量測、土方填挖量等信息，大大減少工程勘察設(shè)計(jì)中的外業(yè)工作量，縮短工作周期。

利用機(jī)載雙波段激光雷達(dá)水深測量系統(tǒng)，可對水質(zhì)較好區(qū)域的淺海海底地形進(jìn)行精確測量，獲取高精度海岸帶及淺海海底地形數(shù)據(jù)，用于海岸帶、灘涂防護(hù)及航道開發(fā)等應(yīng)用。隨著我國對海島、海洋的開發(fā)和權(quán)益保護(hù)越來越重視，該方面應(yīng)用具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

利用激光同步定位于建圖技術(shù)開發(fā)的推車或背包系統(tǒng)，可對室內(nèi)進(jìn)行便捷的三維成像，快速獲取室內(nèi)高精度激光點(diǎn)云模型，結(jié)合可見光相機(jī)成像，可快速形成可量測的室內(nèi)街景及真三維模型，在室內(nèi)導(dǎo)航與室內(nèi)位置服務(wù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

利用激光雷達(dá)技術(shù)可以獲取道路及兩側(cè)一定范圍內(nèi)的高精度三維數(shù)據(jù)，可用于制作無人駕駛汽車用的高精度導(dǎo)航地圖，準(zhǔn)確標(biāo)識車道位置及交通指示標(biāo)志。同時，由于激光雷達(dá)具有全天時、全天候的測距能力，測量精度和測距能力受光照、氣象、霧霾等條件影響較小，測距方向性和穩(wěn)定性好，即便是惡劣的天氣條件也能夠正常工作。目前，激光雷達(dá)已成為無人駕駛技術(shù)中必不可少的“電子眼”，可以大大提高無人駕駛車輛的環(huán)境感知、智能決策以及車輛控制能力，成為無人駕駛汽車安全行駛的重要保障。

展望未來5-10年，激光雷達(dá)將迎來更加快速發(fā)展的新時期，激光雷達(dá)技術(shù)也將不再是一門少數(shù)專業(yè)用戶使用的技術(shù)，而將成為走進(jìn)千家萬戶，與我們生活息息相關(guān)的一門大眾化技術(shù)。