科普连载 | 激光雷达技术简介及发展史

遥感(remote sensing,RS),字面理解即为“遥远的感知”,是指由传感器非接触式地采集目标对象的电磁波信息,通过对电磁波信息的传输、变换和处理,定性、定量地揭示地球表面各要素的空间分布特征与时空变化规律。

按照遥感获取信号方式,即电磁辐射能源的不同,遥感可以分为被动式遥感(passive remote sensing)和主动式遥感(active remote sensing)两大类。被动遥感系统本身不带有辐射源,在遥感探测时传感器仅仅接收和记录目标物自身发射或反射来自自然辐射源(如太阳)的电磁波信息。与之相对,主动式遥感系统带有人工辐射源向目标物发射一定形式的电磁波,再由传感器接收和记录其反射波。目前的合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)、探地雷达(ground penetrating radar)、激光雷达(light detection and ranging,lidar)等都属于主动遥感系统。

近20年来,主动遥感技术因其不依赖太阳辐射、可以昼夜工作,同时可以根据探测目标的不同选择电磁波的波长和发射方式等优点,在遥感技术领域发展迅猛。激光雷达技术作为其中的一个主要分支,凭借其提供的高精度三维地物信息,已经在气象、测绘、考古、林业等领域得到了广泛的应用。

激光雷达,是激光探测与测距系统的简称,它通过测定传感器发出的激光在传感器与目标物体之间的传播距离,分析目标地物表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息,进行目标定位信息的精确解算,从而呈现目标物精确的三维结构信息。

激光雷达工作示意图

激光雷达最早搭载在机载平台上,是为近海岸线水深测量而研发的新技术。

1968年,美国Syracuse大学的Hickman和Hogg建造了世界上第一个激光海水深度测量系统,该系统是通过计算机载激光雷达不同回波之间的时间差实现海洋深度测算,并首次验证了激光水深测量技术的可行性(Hickman 和 Hogg, 1969)。

20世纪70年代末,美国国家航空航天局(NASA)成功研制出一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达(Airborne Oceanographic Lidar,AOL),Hoge 等(1980)用AOL 在大西洋和切萨皮克湾进行了水深的测定,并且绘制出水深小于10 m 的海底地貌(Hoge 等, 1980;Krabill 等, 1984)。此后,机载激光雷达系统蕴含的巨大应用潜力开始受到关注,并很快被应用到陆地地形勘测研究当中。

20世纪80年代初,Arp和 Griesbach以及Krabill等人的研究是该时期的代表(Arp 和 Griesbach, 1982; Krabill 等, 1984)。值得一提的是,当时研究中植被被视作地形测量的“障碍”,因为在冠层郁闭度较高的地区,激光往往被“拦截”。直到1984年,Nelson等(1984)在宾夕法尼亚Blue Mountain地区的研究发现,激光脉冲的穿透力与冠层郁闭度高度相关,并指出激光雷达系统可以用于森林垂直结构的探测以及树高的估算。但由于当时激光雷达系统较为原始,无法检测识别低于8m的树木,使得其在林业的应用上受到一定程度的阻碍(Nelson 等, 1984)。

20世纪90年代后期,全球定位系统及惯性导航系统的发展使得激光扫描过程中的精确即时定位定姿成为可能。其标志性成果为1990年德国Stuttgart大学Ackermann教授领衔研制的世界上第一个激光断面测量系统,这一系统成功将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合,形成机载激光扫描仪(Ackermann-19)。

1993年,德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan ALTM 1020。

1995年,机载激光雷达设备实现商业化生产。

此后,机载激光雷达技术成为了森林资源调查的重要补充手段,广泛应用于快速获取大范围森林结构信息,如树木定位、树高计算、树冠体积估测等,同时还为森林生态研究、森林经营管理提供垂直结构分层、碳储量、枯枝落叶易燃物数量等参数估算信息(庞勇 等, 2005)。

随着激光雷达技术的进步与发展,星载激光雷达的研制和应用在20世纪90年代逐步成熟。2003年,NASA根据早先提出的采用星载激光雷达测量两极地区冰面变化的计划,正式将地学激光测高仪(Geoscience Laser Altimeter System,GLAS)列入地球观测系统(Earth Observation System,EOS)中,并将其搭载在冰体、云量和陆地高度监测卫星(Ice, Cloud and Land Elevation Satellite,ICESat)上发射升空运行(http://www.nasa.gov/mission_pages/icesat/)。ICESat2计划于2018年发射,将要搭载更为先进的单光子激光雷达传感器,这将为生态学家了解大尺度森林结构参数带来新的机遇(Hand,2014;White 等, 1996)。

激光雷达技术发展历程示意图