LiDAR：用于 3D 重建的光探测与测距

什么是激光雷达？

激光雷达，或称光探测与测距 (Light Detection and Ranging)，是一种能够描绘各种结构的系统，例如任何区域内物体的身高、密度等。它也被称为主动激光扫描。它可用于各种行业。例如，它也用于植被研究。该系统可以直接测量地面植被的高度和密度，这有助于科学家研究大范围区域内的植被。

它使用脉冲激光形式的光（以光脉冲或闪光的形式），可以测量距离。这些光脉冲和其他数据点能够构建出与环境相关的任何物体的精确 3D 信息。在探测物体和计算距离方面，它比雷达或相机更快，因为在尺寸和深度方面它无与伦比。

激光雷达的工作原理

激光雷达通过发射脉冲光来测量到目标位置的距离。它通过发射激光并记录从光源光脉冲到反射光脉冲所花费的时间来测量。由于它是一个主动系统，它自己产生能量。在激光雷达系统中，光从高速激光器发出。首先，光从源头发射，传播到地面，然后从待观察的物体反射回来。接着，反射的光能返回到激光雷达传感器。

光探测与测距系统计算从源点到目标点的时间。然后，计算出的时间用于计算两点之间的距离，进而计算出海拔（海平面以上的高度）。这些测量是通过激光雷达系统的组成部分完成的，包括用于获取光能的 X、Y 和 Z 坐标的 GPS 系统，以及用于确定天空中飞机的方向的惯性测量单元 (IMU)。

激光雷达系统还用于测量环境的详细特征，例如大气中的粒子散射、吸收或发射。系统需要特定的波长来确定环境中的这些特征。激光雷达系统还可以测量雨滴、降雨量和降雨强度，以及甲烷、气溶胶等不同类型的分子。

许多激光雷达系统在物体空间中提供三维表面。它不需要任何特殊的光谱即可观察 3D 物体。它可以用于在自主场景中创建 3D 结构或模型。例如，可以使用激光雷达系统观察自动驾驶汽车中的场景。一些扫描过程可以做到这一点。

激光雷达系统的工作流程

激光雷达系统每秒发出高达150,000 次脉冲的激光束。通常，光束以圆形运动发出，就像雷达一样，并伴有激光的上下运动。

激光雷达设备遵循一个包含几个步骤的基本过程：

1. 系统以激光束的形式发出信号。
2. 光束到达地面的物体。
3. 物体会反射光束。
4. 激光雷达系统接收来自地面物体的信号。
5. 它记录激光脉冲。
6. 记录的脉冲在激光雷达点云中获得一个位置。

激光雷达的其他一些应用

激光雷达是一项广泛的技术，应用于各个领域和区域。这些包括：

• 激光雷达系统最常见和最广泛的应用是自动驾驶汽车。安装了激光雷达系统的车辆从中收集数据，包括导航、交通标志、道路障碍物、经过的其他车辆等，并通过激光雷达系统内置的传感器和 GPS 观察 3D 车辆。它会警告车辆注意周围的移动和静止物体（障碍物或其他经过的车辆）。
• 激光雷达系统也用于天文学，用于计算太空物体的距离，例如月球或任何其他行星的距离。它也用于观察恒星以进行各种天文学应用。
• 激光雷达在森林和土地管理方面也可能很有帮助，因为激光雷达可以测量森林中形成的冠层密度。它还有助于分析土地管理、森林火灾预警等。
• 激光雷达还可以通过计算所需的条件来用于生产可再生能源；例如，对于太阳能，激光雷达系统将计算太阳能电池板的位置。对于风能，它可以计算风的方向和速度以形成涡轮机。

激光雷达数据与计算机视觉

激光雷达数据可用于计算机视觉和监督式机器学习。为了使其更有效，激光雷达数据必须经过标记。由于数据量巨大，难以进行扩展。科学家和人工智能工程师在处理这类数据时面临挑战。由于数据量巨大，很难将其转换为结构化数据并训练能够理解光学世界的数据。

激光雷达面临的挑战

• 系统发出的激光束比物体反射的输出光束要大得多。如果输入光束没有从物体反射或散射，科学家必须小心。
• 光束在从物体反射时可能会沾染一些碎屑。
• 操作激光雷达系统的成本很高。而且，也需要更长的时间。
• 激光源的频率可能对人眼造成危险。
• 区分激光雷达和附近的其他波长可能是一项任务。