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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)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(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目“快速精準(zhǔn)測(cè)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(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)組織的結(jié)題驗(yàn)收并獲評(píng)優(yōu)秀。

五年來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成功研制出具備高時(shí)空分辨精準(zhǔn)測(cè)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(shí)空分辨率條件下，系統(tǒng)測(cè)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(duì)測(cè)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(dòng)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(chǎng)工作圖

易帆團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)致力于激光雷達(dá)遙感探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，獲得了國(guó)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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站的優(yōu)勢(shì)資源和力量，開(kāi)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(cè)平臺(tái)”，曾入選《科技導(dǎo)報(bào)》中國(guó)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(tái)上的激光探測(cè)、測(cè)距和定位系統(tǒng)。它集激光測(cè)距、慣性測(cè)量、高精度定位等技術(shù)于一體，通過(guò)記錄單個(gè)激光信號(hào)從發(fā)射到接收被地物反射的能量所歷經(jīng)的時(shí)間，并根據(jù)信號(hào)發(fā)出瞬間由定位定姿系統(tǒng)（POS）測(cè)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(cè)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(dòng)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(shí)采用的搭載平臺(tái)包括地面、車(chē)載、機(jī)載、船載、星載等多種遙感平臺(tái)。其中，商業(yè)化的激光雷達(dá)系統(tǒng)以地面、車(chē)載及機(jī)載平臺(tái)為主。其中的有人機(jī)載平臺(tái)包括大型固定翼飛機(jī)及直升機(jī)平臺(tái)，無(wú)人機(jī)載平臺(tái)包括固定翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)等。

以機(jī)載、車(chē)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(gè)用于確定掃描投影中心的空間位置的動(dòng)態(tài)差分GNSS接收機(jī)，以及一個(gè)用于高精度傳感器空間姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的慣性測(cè)量單元（IMU）；激光掃描測(cè)距系統(tǒng)，用于測(cè)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(duì)應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像,用于最終制作正射影像；一個(gè)控制與存儲(chǔ)系統(tǒng)，用于控制激光掃描測(cè)距系統(tǒng)、GPS、IMU以及成像裝置工作并存儲(chǔ)獲取的數(shù)據(jù)；一個(gè)操作終端，用于作業(yè)員對(duì)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(shí)，根據(jù)激光掃描儀測(cè)量的回波角度、距離，結(jié)合慣性測(cè)量單元（IMU）與差分GNSS測(cè)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(guò)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(wú)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(cè)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(mén)。

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(cè)量。1971年，美國(guó)宇航局使用阿波羅15號(hào)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(kāi)始，美國(guó)等國(guó)先后試驗(yàn)成功了用于深海測(cè)深和水道測(cè)量的機(jī)載激光測(cè)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(cè)量系統(tǒng)開(kāi)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(cè)量系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)始在美國(guó)實(shí)驗(yàn)室有研制的樣機(jī)，其后看到試驗(yàn)成果。1996年國(guó)際攝影測(cè)量遙感學(xué)會(huì)（ISPRS）維也納國(guó)際會(huì)議開(kāi)始有一家機(jī)載激光掃描系統(tǒng)廠商參展，后來(lái)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(guó)際上激光掃描系統(tǒng)主要廠商有Leica GeoSystems、Riegl、Optech、TopoSys、Trimble等。我國(guó)的中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所于20世紀(jì)90年代末在國(guó)家863計(jì)劃支持下研制了中國(guó)機(jī)載激光三維成像儀，并成功開(kāi)展了應(yīng)用試驗(yàn)。2010年后，我國(guó)中科院光電院、北京北科天繪公司、北京四維遠(yuǎn)見(jiàn)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(chē)載激光掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光掃描設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。

目前，隨著傳統(tǒng)行業(yè)對(duì)高精度地形地物測(cè)繪需求的擴(kuò)大，以及無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)以及室內(nèi)導(dǎo)航與位置服務(wù)等新型應(yīng)用的興起，國(guó)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(shí)代。同時(shí)，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(shí)，傳感器也越來(lái)越小型化。以機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)為例，從原來(lái)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(lái)，已經(jīng)出現(xiàn)了可搭載于多旋翼無(wú)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(wèn)題

盡管近兩年來(lái)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(guò)程仍然存在一些待解決的問(wèn)題，需要在今后的發(fā)展過(guò)程中進(jìn)一步完善。

首先，激光雷達(dá)設(shè)備成本較高，規(guī)模化、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(dòng)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)模化生產(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(duì)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(shí)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(cè)能力已經(jīng)逐漸逼近探測(cè)極限。因此，改進(jìn)探測(cè)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(lái)激光雷達(dá)未來(lái)發(fā)展的重要方向。譬如，美國(guó)出現(xiàn)的蓋格模式激光雷達(dá)，可在數(shù)萬(wàn)米高空獲取每平米幾十個(gè)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(shì)必需要搭載在大型平臺(tái)上，機(jī)載雷達(dá)所需的大型無(wú)人機(jī)和有人機(jī)成本過(guò)高；同時(shí)，小型激光雷達(dá)系統(tǒng)受多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力及自身性能限制，其作業(yè)時(shí)間較短，數(shù)據(jù)采集效率不高；此外，無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展對(duì)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(dòng)激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)一步小型化的動(dòng)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(guò)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(shí)，如利用自動(dòng)化方法結(jié)合人工編輯對(duì)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(cè)、坡度坡向量測(cè)、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(cè)量系統(tǒng)，可對(duì)水質(zhì)較好區(qū)域的淺海海底地形進(jìn)行精確測(cè)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(kāi)發(fā)等應(yīng)用。隨著我國(guó)對(duì)海島、海洋的開(kāi)發(fā)和權(quán)益保護(hù)越來(lái)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(kāi)發(fā)的推車(chē)或背包系統(tǒng)，可對(duì)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(jiàn)光相機(jī)成像，可快速形成可量測(cè)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(wú)人駕駛汽車(chē)用的高精度導(dǎo)航地圖，準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)車(chē)道位置及交通指示標(biāo)志。同時(shí)，由于激光雷達(dá)具有全天時(shí)、全天候的測(cè)距能力，測(cè)量精度和測(cè)距能力受光照、氣象、霧霾等條件影響較小，測(cè)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(wú)人駕駛技術(shù)中必不可少的“電子眼”，可以大大提高無(wú)人駕駛車(chē)輛的環(huán)境感知、智能決策以及車(chē)輛控制能力，成為無(wú)人駕駛汽車(chē)安全行駛的重要保障。

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