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一篇文章講透機(jī)載LIDAR的工作原理

發(fā)布日期:2020-08-11 11:59 瀏覽量:13048

LiDAR,是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱,是一種采用激光對地面物體的高度進(jìn)行量測的方式。聲納使用聲波描述物體,雷達(dá)使用無線電波描述物體,而LiDAR使用的是激光。

生活中常見的激光有些用于條形碼掃描、有些用于制作華麗的聲光,甚至是用于脫毛。而激光是如何用來測量物體的呢?

目前獲取LiDAR數(shù)據(jù)有三種不同的方式,分別是從地面獲取的車載LiDAR、從飛機(jī)上獲取的機(jī)載LiDAR,以及從太空中獲取的星載LiDAR,其中機(jī)載LiDAR在自然資源方面的應(yīng)用最為普遍。



要了解機(jī)載LiDAR是如何測量物體高度的,首先要了解它的四個組成部分。

第一個組成部分,就是安裝在飛機(jī)上的LiDAR設(shè)備本身,該設(shè)備用于對地面進(jìn)行逐行掃描。LiDAR系統(tǒng)所發(fā)出的是綠光或近紅外光,因為地表的植被會對這兩種光產(chǎn)生較強(qiáng)的反射。

第二個組成部分是GPS接收器,它用于記錄飛機(jī)的高度和X/Y坐標(biāo)。

第三個部分是慣性測量單元(IMU),用于記錄飛機(jī)在飛行時的姿態(tài)數(shù)據(jù),這對于后面物體高度的計算精度非常重要。

LiDAR系統(tǒng)的最后一部分是計算機(jī),用來記錄飛機(jī)在飛行過程中對地面掃描所采集到的各種信息??梢哉f沒有計算機(jī),就沒有數(shù)據(jù)。

那么,這四部分組合在一起,是如何產(chǎn)生如此精細(xì)、用途廣泛的數(shù)據(jù)集的?其實(shí)LiDAR系統(tǒng)的激光在對地面進(jìn)行掃描時,是對地面發(fā)射光束。

這里要先解釋一下激光發(fā)射的兩個關(guān)鍵概念:

第一,什么是“脈沖”? “脈沖”其實(shí)是LiDAR的激光產(chǎn)生并發(fā)射出的光能。

第二,什么是“回波”?“回波”指的是被反射并由傳感器記錄下的光能。

這兩個概念看起來似乎都和高度沒什么關(guān)系。

為了獲取高度,LiDAR系統(tǒng)會記錄脈沖從發(fā)射并反射回傳感器所花費(fèi)的時間。然后,系統(tǒng)根據(jù)記錄的時間結(jié)合光速,計算出地面物體表面到激光發(fā)射器的距離。

詳細(xì)的計算過程是用記錄的時間乘以光速,再除以2。之所以要除以2,是因為記錄的時間是包括到達(dá)地面并返回的雙向時間。

這樣計算得到的結(jié)果就是激光從飛機(jī)到地面的通行距離。





但僅僅得到飛機(jī)到地面的通行距離還不夠,還需要知道地面的高程。從飛機(jī)上的GPS接收器上可以得到飛機(jī)的飛行高度,然后減去剛才計算得到的飛機(jī)到地面的距離,其結(jié)果就是地面高程。

這就是用激光測量地面高程的基本原理。

基本概念了解后,還需要再考慮兩個因素。

首先是飛機(jī)在空中會受氣流的影響而顛簸,這種波動會被機(jī)上的慣性測量單元(IMU)所記錄。這個因素需要在計算高度時加以考慮。

另外,由于機(jī)載LiDAR在飛行過程中,會對地面進(jìn)行逐行掃描,可以覆蓋大面積區(qū)域。這其中有些脈沖是垂直于地面發(fā)射的,稱為NADIR。但大多數(shù)脈沖還是傾斜發(fā)射出去的,稱為OFF-NADIR。在計算高度時,必須還需要考慮脈沖的發(fā)射角度。

總結(jié)一下整個計算過程:LiDAR系統(tǒng)將激光發(fā)射向地面,然后記錄下激光脈沖從發(fā)射到地面,再從地面反射回系統(tǒng)的時間;根據(jù)這個時間結(jié)合光速可以計算出距離,系統(tǒng)再根據(jù)飛機(jī)高度、姿態(tài)以及脈沖角度,計算出地表物體的高度;同時根據(jù)GPS接收器的信息得到地面物體的空間坐標(biāo)。所有這些信息都被記錄在計算機(jī)里,這就是機(jī)載LiDAR的基本工作原理。




LiDAR系統(tǒng)還有一個非常重要的特性,就是它所發(fā)出的脈沖不僅會到達(dá)樹頂并返回,有時候也可以穿透某些地物。就好像陽光照進(jìn)樹林中一樣,LiDAR的光束也同樣可以穿透樹冠,并反射樹冠以下的部分。LiDAR系統(tǒng)這種不僅可以記錄樹頂反射信息,而且可以穿過樹冠直達(dá)地面的特性,使得LiDAR系統(tǒng)成為在林業(yè)研究中非常有用的工具。這種可以穿透樹冠并提供多次回波的特性,可以告訴我們有關(guān)樹林結(jié)構(gòu)的更多信息。比如,它可以告訴我們樹的形狀,或者樹林樹葉的密度,有時甚至可以提供樹林里地面灌木的情況。

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