無人機激光雷達：改變人們觀察世界的顛覆性技術

如果您對無人機感興趣，那麼您可能已經聽說了LiDAR這個詞，特別是在過去幾年裡。

但是什麼是LiDAR呢，它又是如何與無人機一起使用的呢？

這篇文章將深入討論這個主題：首先將對LiDAR進行詳細講述，然後再闡述LiDAR與無人機一起使用的不同場景。

LiDAR意為何物？

LiDAR這個詞有時被認為是Light Detection And Ranging（光感測距技術）的首字母縮略詞，有時被認為是Light Imaging, Detection, And Ranging（光成像，檢測以及測距）的首字母縮略詞，但它最初則是Light和Radar（光和雷達）兩個單詞的融合。

LiDAR是一種土地測量方法，通過用脈衝激光照射該目標區域，並用感測器測量反射脈衝，從而測量與目標區域的距離。然後，通過使用激光返回所需的時間以及波長的差異來製作目標區域的數字3D顯示。

聲納也是通過類似的方式運作，聲波從目標對象上反射並返回到其來源處，從而測量出到不同點的距離，進而實現景觀的3D可視化。

LiDAR成像示例：Velodyne無人機3D繪圖系統

無人機激光雷達（LiDAR）是一種相對較新的土地測量技術，使用了高精度激光掃描儀、全球定位系統（GPS）以及慣性導航系統（INS）。這三者組合可以實現令人難以置信的精確3D繪圖。

相對於涉及了從大量照片合成數據的攝影測量技術而言，LiDAR技術革命性的一面是允許測量員直接穿過葉枝和其他干擾碎片，以實現景觀詳細地形圖的構建，而無需進行實地勘察。

當前無人機是如何與LiDAR共同使用的？

在無人機之前，LiDAR技術只能用于飛機，這意味著其價格高昂，尚不能做到廣泛推行。

但是隨著無人機技術變得越來越實惠，LiDAR技術也開始逐漸進入大眾視野，這意味著準確的測量開始變得對所有人都可用，而不僅僅是只能應用於大型、資金充足的項目。

雖然LiDAR技術成本仍然比攝影測量法要高（我們將在下文詳細地介紹這兩種測量數據收集方法之間的差異），但相比一年或兩年前，該技術接受度也更高。

配備了LiDAR數據採集系統的無人機

在進行以下測量時往往需要使用LiDAR技術：

對樹冠，礦場輸送機和其他障礙物進行繪圖時；

對需要更準確細節的細長物體進行建模時，如傳輸線、管道、具有尖銳特徵的物體（比如 屋脊邊緣）或岩石場等。

下面將對一些使用了LiDAR技術的場景進行詳解。

考古學

LiDAR技術最值得稱讚的（而且很炫酷的）用途之一就是幫助考古學家發現新的廢墟遺址，並幫助他們對遺址進行更好的了解。

在大多數情況下，考古學家可能不願意對遺址進行進一步挖掘，因為他們不想冒險破壞目前在地球和沙土上保存下來的遺址，但是通過使用LiDAR技術，他們則不需要進行任何挖掘工作就能了解遺址的具體構造。

今年早些時候，就有報道透露，通過使用LiDAR技術，對位於中美洲地區，擁有著瑪雅文明遺迹遺址、延伸430英里的埃爾米拉多（El Mirador）盆地進行了勘察；而這也是首次通過LiDAR技術發現的遺址。

如果不藉助LiDAR技術，則或許不會發現埃爾米拉多，或者至少不會發現其全貌，這是非常重要的。因為此次埃爾米拉多廢墟的發現表明了相比現有考古學理論對瑪雅人所推測的遠古時代更久遠，進而導致我們對整個瑪雅世界認知的重新反思。

農業

LiDAR技術能幫助農民發現昂貴的肥料使用過度的區域，以及幫助構建能被進行轉化構建邊坡和陽光照射區域地圖的農田高程地圖。

通過LiDAR提供的圖層信息可用於創建作物生產區域圖，提取的數據可以幫助農民節約肥料，並極大地優化其工作。

工業測量和繪圖

LiDAR能用於各種工業應用，以構建如下3D地圖：

庫存測量；

礦山和採礦礦石量測量；

大型工業項目和建築項目的地形繪圖；

資源追蹤；

測量交通道路（即使有汽車在駛時）。

需要注意的是，在工業應用中，LiDAR通常與攝影測量結合使用（下文將對兩者進行深入比較）。

自然資源保護

LiDAR有助於為保護工作製作準確的地圖，美國許多州已經進行了密集的數據收集工作，以更好地了解自然資源，從而更好地開展保護工作。

例如，美國愛荷華州自然資源部利用LiDAR數據來通報他們的地理信息系統（GIS），這是一個關於該州所有自然資源的信息庫。

林業也是使用了LiDAR測量樹冠層高度、生物量測量以及葉片面積的一個領域。

水資源保護是利用地激光雷達數據來繪製涵洞、沖積平原，流域以及淹沒地區（即今後可能發生洪澇和乾旱的地區）地圖的另一個領域。

「LiDAR數據，包括輪廓圖、數字高程模型、山體陰影投影圖等衍生品都有助於廣泛的自然資源保護。」-明尼蘇達大學水資源中心

此外，還能通過LiDAR進行沙丘監測以及其他相關自然資源監測；甚至有一些國家公園開始使用無人機對沙丘運動進行繪製和建模，從而實現相關調查。

無人駕駛汽車

激光雷達可以偵測道路上的黃線，從而引導車輛行進路線；自適應巡航控制系統（ACC）也使用了激光雷達技術，從而幫助車輛實現巡航控制，在前面有車輛時減速，而在沒有任何車輛的時候進行加速。

攝影測量法vs激光雷達技術

當談及測繪時，對於攝影測量法和激光雷達技術的比較價值一直有著持續的爭論。

事實是，沒有一個正確的答案；這隻不過是關於具體應用的問題而已。對於某些用例而言，使用攝影測量法更好；而對於其他應用而言，使用激光雷達技術則更佳。

攝影測量是通過對照片進行測量，從而記錄表面單個點的具體位置，進而形成3D繪圖。

攝影測量一直是一個耗時的過程，但是由於可以通過一次飛行就能對單個地點拍攝成千長航拍圖片，而且已經開發出了將所有這些圖片融合成一張3D圖片的新技術，無人機已經從根本上改變了一切。

那麼你知道何時該使用LiDAR，何時該使用攝影測量法嗎？

大體上來說，一般規則是，攝影測量法適用於對那些沒有被樹覆蓋或其他障礙所阻擋的大型場所的測量；而激光雷達技術則適用於較小受阻的場所。

在以下情況下使用激光雷達技術：

在給樹冠、礦場輸送機以及其他障礙物進行繪圖時，很難通過攝影測量技術為物體阻擋地面的區域構建高程模型。

對需要更準確細節的細長物體進行建模時，如傳輸線、管道、具有尖銳特徵的物體（比如 屋脊邊緣）或岩石場等，諸如SfM演算法和DIM等替代繪圖方法具有比LiDAR更低的「一致性」。

在以下情況下應使用攝影測量法：

對裸露的礦場、地球工程項目以及其他不被樹木、建築物或設備遮擋的地方進行繪圖時，而無人機更便宜、更輕、更快。如果您要進行的建模不需要使用LiDAR技術，則將相機捆綁到您的UAV將為您節省成本。

對於一個小型地圖項目而言，攝影測量數據就能滿足所有需求。

小結：

儘管如此，一般建議是，如果使用了LiDAR技術，還應該使用攝影測量技術。這樣做的理由是，LiDAR是兩個選項中成本更高的選項，並且由於攝影測量將提供額外的有用數據，那麼則可以同時使用這兩種技術。

不過，新的LiDAR技術可能會改變其中的一些思路。畢竟，隨著無人機激光雷達技術變得更廉價、可用性更大，其普及率也將不斷提高。

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