新疆測繪儀器之激光雷達是什么？怎么選？怎么用？

近年來，一個叫激光雷達的家伙進入了測繪各個領域，很多人對它感覺很陌生，其實不然，他可是老家伙了，我們所熟知的地球與月亮的距離，就是通過激光測距技術(shù)實現(xiàn)的。激光測距的原理很簡單，就是通過測量激光從發(fā)射到月面反射光到達地球的時間，乘以光速再除以2，就是地月距離了。 為了保障激光能夠很好地反射回來，登月的美國人特地在月球上放置了這樣一面反射鏡，以保障激光很好地反射回來。

隨著GPS和IMU（慣性導航技術(shù)）的發(fā)展，使精確的即時定位、定姿成為可能，很多廠商發(fā)現(xiàn)，這家伙用來干測繪非常適合，所以近年來激光雷達就被推到了各位的面前。有人看見激光雷達，心中會冒出來一個疑惑：

激光雷達和雷達有什么區(qū)別？

激光雷達是雷達么？

答案：是！

不信我們看下圖：

他們的區(qū)別就和名字一樣簡單易懂 ，激光雷達就是，發(fā)射激光的雷達。在原理上基本類似，只是激光雷達發(fā)射的是一條直線的光束，而雷達發(fā)射出去的是一個錐狀的電磁波波束。 

按照用途，我們可以把激光傳感器分為兩類，即避障級和高精度測繪級，通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)在一些關(guān)鍵參數(shù)上，如角分辨率、視場角、測量距離、測量速率、測量精度、多次回波技術(shù)、多周期回波技術(shù)等，這兩類激光傳感器有較大差別。接下來我們著重聊一下測繪激光雷達。

測繪激光雷達是將激光傳感器、GNSS、IMU和相機集成在一起的一個系統(tǒng)，通過各個傳感器的參數(shù)標定，可以精確計算出傳感器之間的位置偏差，以及不同坐標系間轉(zhuǎn)換所用到的旋轉(zhuǎn)角，從而將獲取的點云數(shù)據(jù)的相對坐標轉(zhuǎn)換成大地坐標。總之可以邊走邊掃，而且掃出來的點全是大地坐標！就是這么炫酷!

測量型激光雷達系統(tǒng)組成

在使用激光雷達做測繪時，我們一般可以采用汽車、無人機、有人機等移動平臺作為載體，將移動中的激光原始數(shù)據(jù)、GNSS數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)，后期通過Post-processing模式的后處理得到厘米級精度POS數(shù)據(jù)，基于POS和原始激光數(shù)據(jù)生成我們常常看到的激光點云成果。

機載彩色點云

車載彩色點云 

那么各搭載平臺間有什么差異，該如何選擇？

追求效率直接裝到直升機或者固定翼飛機上！

測量效率直接拉滿，但由于直升機或固定翼飛的較高，所以精度就差一些，一般在10CM左右，做大面積地形測繪可選取這種手段。 

直升機搭載激光雷達

測區(qū)適合飛行，且對精度有要求，就用旋翼無人機。

使用旋翼無人機效率略遜于固定翼無人機，但在精度控制方面更能得心應手，可以達到5cm精度。機載激光雷達是一種萬金油的組合，無論何種地形都能一顯身手。

旋翼無人機作業(yè)模式

特定城區(qū)或者街道環(huán)境，選用車載模式激光雷達車載模式。

只能掃描道路兩邊200米內(nèi)的數(shù)據(jù)，掃描區(qū)域受限，一般道路改擴建項目或者帶狀地形圖項目可以使用此種作業(yè)模式，100米內(nèi)的精度在5cm。       

背包作為補充手段，填補最后的空白

由于我們是多平臺激光雷達，甚至可以背在背上進行測量。背包模式的存在，是為了補充以上幾種作業(yè)方式的不足，用于測量一些汽車和飛機都進不去的地方，比如地下空間測量，礦山測量、方量計算等地方。由于人在背負設備步行時存在一定人為抖動，一般經(jīng)過處理后在10cm左右。

背包作業(yè)模式

激光雷達這么多參數(shù)，我應該關(guān)注什么指標？ 

1、角分辨率，也就是測角精度

角分辨率是掃描儀分辨目標的能力，測角分辨率越小，則表明能夠分辨的目標越小，這樣測量出的點云數(shù)據(jù)就越細膩。一般避障級激光傳感器的測角精度只有0.1°左右，而測繪級激光傳感器角分辨率一般是0.001°甚至更低。 

2、測量距離

測量距離與激光發(fā)射頻率和實際地物反射率有關(guān)，最大測量距離和反射率有關(guān)，一般是指ρ≧60%（部分甚至到ρ≧90%）的情況下的最大掃描距離，同時測量距離與激光發(fā)射頻率成反比，發(fā)射頻率越大，測量距離越小不同的物體（山坡，植被，水泥建筑物，金屬管道，土壤礦物，煤等）具有不同的反射率，大多數(shù)建筑物的反射率為50%左右，煤和瀝青路面在20%左右，因此在實際應用中，我們要對設備的最大射程打折。 

3、測量速度
一般通過激光脈沖的最大發(fā)射頻率來體現(xiàn)，例如RIEGL的VUX-1UAV其最大激光發(fā)射頻率為550 000點/秒，而mini VUX-1UAV 是100 000點/秒。

4、測量精度

它指測量一定數(shù)量后得出的真實值，是與真實一致性的度，重復精度也叫再現(xiàn)性或可重復性，是用于表示多次測量得到同一結(jié)果的可能性的量。一般測繪級的激光傳感器測量精度都在1cm左右。 

5、視場角

視場角=激光束的掃描角，指激光束通過掃描裝置所能達到的最大角度范圍，而有效視場角一般還會與實際作業(yè)時的航高、有效測量距離有關(guān)。雖然很多激光傳感器的水平視場角是360°的，我們實際應用時一般只會用到90°-120°。 

好處說了這么多，那么激光雷達的不足在哪？

1、受天氣和環(huán)境的影響。

無論是哪種模式的激光雷達工作方式，由于激光的物理特性的限制，激光傳感器受環(huán)境因素影響較大，在室外和在煙霧、粉塵、雨雪、沙塵和強光環(huán)境中均無法穩(wěn)定可靠地工作。

2、貴

工業(yè)用品的價格是理性的，它的研發(fā)成本很高，而這只能靠量產(chǎn)去攤薄，現(xiàn)階段激光雷達的需求還沒有那么大的量，這讓成本難以降低。 另一塊是邊際成本，激光雷達屬于高精密機械，能用于測繪激光頭比避障級更是貴得多，產(chǎn)品制作不容易，制作成本本身就很高了。

雖然目前激光雷達還算不上完美，但由于它能夠透射植被的特點，能夠直接測量地表，很好地解決密林測量難題，因此受到了很多客戶的青睞。未來，隨著技術(shù)的進步以及量產(chǎn)的增加，成本過高的問題可以有效降低，目前雖然激光雷達不算完美，但它未來可期！