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