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)題驗收并獲評優(yōu)秀。

五年來，項目團隊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

易帆團隊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)新研究群體項目支持。團隊依托武漢大學(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。團隊成果“建成亞洲功能最強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》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)，可以計算出地物目標(biāo)的三維坐標(biāo)，并繪制地形圖。

機載激光雷達(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，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(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，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的距離；一套成像裝置（主要是數(shù)碼相機），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)物的高密度三維點云空間位置信息，如圖所示。

利用機載激光雷達(dá)獲取的激光點云

由于一般的機載激光雷達(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直接獲取地面點三維坐標(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，美國等國先后試驗成功了用于深海測深和水道測量的機載激光測距系統(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)，并使得機載斷面測量系統(tǒng)開始被激光掃描系統(tǒng)代替。機載激光掃描系統(tǒng)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(xué)會（ISPRS）維也納國際會議開始有一家機載激光掃描系統(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(yīng)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(yuǎn)見公司等相關(guān)研究單位和公司推出了商用化的機載激光掃描系統(tǒng)、車載激光掃描系統(tǒng)，實現(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大，以及無人機、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)?；?、批量化生產(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)域高密度點云的需求持續(xù)擴大，需要在獲取高密度點云時保證較高的數(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(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，機載雷達(dá)所需的大型無人機和有人機成本過高；同時，小型激光雷達(dá)系統(tǒng)受多旋翼無人機續(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

利用獲取的激光點云，通過去除部分噪聲點并進(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云進(jìn)行進(jìn)一步的濾波操作，濾除其中的非地面點并進(jìn)行柵格化，可以得到高質(zhì)量的數(shù)字地形模型（DEM）。

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

利用機載雙波段激光雷達(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)高精度激光點云模型，結(jié)合可見光相機成像，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)。