LiDAR，是激光探测及测距系统的简称，是一种采用激光对地面物体的高度进行量测的方式。声纳使用声波描述物体，雷达使用无线电波描述物体，而LiDAR使用的是激光。
要了解机载LiDAR是如何测量物体高度的，首先要了解它的四个组成部分。
第一个组成部分，就是安装在飞机上的LiDAR设备本身，该设备用于对地面进行逐行扫描。LiDAR系统所发出的是绿光或近红外光，因为地表的植被会对这两种光产生较强的反射。
第二个组成部分是GPS接收器，它用于记录飞机的高度和X/Y坐标。
第三个部分是惯性测量单元（IMU），用于记录飞机在飞行时的姿态数据，这对于后面物体高度的计算精度非常重要。
LiDAR系统的最后一部分是计算机，用来记录飞机在飞行过程中对地面扫描所采集到的各种信息。可以说没有计算机，就没有数据。
那么，这四部分组合在一起，是如何产生如此精细、用途广泛的数据集的？其实LiDAR系统的激光在对地面进行扫描时，是对地面发射光束。
这里要先解释一下激光发射的两个关键概念：
第一，什么是“脉冲”？ “脉冲”其实是LiDAR的激光产生并发射出的光能。
第二，什么是“回波”？“回波”指的是被反射并由传感器记录下的光能。
这两个概念看起来似乎都和高度没什么关系。
为了获取高度，LiDAR系统会记录脉冲从发射并反射回传感器所花费的时间。然后，系统根据记录的时间结合光速，计算出地面物体表面到激光发射器的距离。
详细的计算过程是用记录的时间乘以光速，再除以2。之所以要除以2，是因为记录的时间是包括到达地面并返回的双向时间。
这样计算得到的结果就是激光从飞机到地面的通行距离。
但仅仅得到飞机到地面的通行距离还不够，还需要知道地面的高程。从飞机上的GPS接收器上可以得到飞机的飞行高度，然后减去刚才计算得到的飞机到地面的距离，其结果就是地面高程。
这就是用激光测量地面高程的基本原理。
基本概念了解后，还需要再考虑两个因素。
首先是飞机在空中会受气流的影响而颠簸，这种波动会被机上的惯性测量单元（IMU）所记录。这个因素需要在计算高度时加以考虑。
另外，由于机载LiDAR在飞行过程中，会对地面进行逐行扫描，可以覆盖大面积区域。这其中有些脉冲是垂直于地面发射的，称为NADIR。但大多数脉冲还是倾斜发射出去的，称为OFF-NADIR。在计算高度时，必须还需要考虑脉冲的发射角度。
总结一下整个计算过程：LiDAR系统将激光发射向地面，然后记录下激光脉冲从发射到地面，再从地面反射回系统的时间；根据这个时间结合光速可以计算出距离，系统再根据飞机高度、姿态以及脉冲角度，计算出地表物体的高度；同时根据GPS接收器的信息得到地面物体的空间坐标。所有这些信息都被记录在计算机里，这就是机载LiDAR的基本工作原理。
LiDAR系统还有一个非常重要的特性，就是它所发出的脉冲不仅会到达树顶并返回，有时候也可以穿透某些地物。就好像阳光照进树林中一样，LiDAR的光束也同样可以穿透树冠，并反射树冠以下的部分。LiDAR系统这种不仅可以记录树顶反射信息，而且可以穿过树冠直达地面的特性，使得LiDAR系统成为在林业研究中非常有用的工具。这种可以穿透树冠并提供多次回波的特性，可以告诉我们有关树林结构的更多信息。比如，它可以告诉我们树的形状，或者树林树叶的密度，有时甚至可以提供树林里地面灌木的情况。同时，在电力巡检、水利行业、交通行业、精准农业等各个领域中，激光雷达有有着不可替代的作用。
本文URL：https://www.hfcjtl.com/News/65.html
上一篇：激光雷达电力巡检点云密度是多少？
下一篇：惯性导航的基本原理
