激光雷達LiDAR技術

遙感（remote sensing，RS），字面理解即為“遙遠的感知”，是指由傳感器非接觸式地采集目標對象的電磁波信息，通過對電磁波信息的傳輸、變換和處理，定性、定量地揭示地球表面各要素的空間分布特征與時空變化規律。

按照遙感獲取信號方式,即電磁輻射能源的不同，遙感可以分為被動式遙感（passive remote sensing）和主動式遙感（active remote sensing）兩大類。被動遙感系統本身不帶有輻射源，在遙感探測時傳感器僅僅接收和記錄目標物自身發射或反射來自自然輻射源（如太陽）的電磁波信息。與之相對，主動式遙感系統帶有人工輻射源向目標物發射一定形式的電磁波，再由傳感器接收和記錄其反射波。目前的合成孔徑雷達（synthetic aperture radar， SAR）、探地雷達（ground penetrating radar）、激光雷達（light detection and ranging，lidar）等都屬于主動遙感系統。

近20年來，主動遙感技術因其不依賴太陽輻射、可以晝夜工作，同時可以根據探測目標的不同選擇電磁波的波長和發射方式等優點，在遙感技術領域發展迅猛。激光雷達技術作為其中的一個主要分支，憑借其提供的高精度三維地物信息，已經在氣象、測繪、考古、林業等領域得到了廣泛的應用。

激光雷達，是激光探測與測距系統的簡稱，它通過測定傳感器發出的激光在傳感器與目標物體之間的傳播距離，分析目標地物表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，進行目標定位信息的精確解算，從而呈現目標物精確的三維結構信息。

激光雷達工作示意圖

激光雷達最早搭載在機載平臺上，是為近海岸線水深測量而研發的新技術。

1968年，美國Syracuse大學的Hickman和Hogg建造了世界上第一個激光海水深度測量系統，該系統是通過計算機載激光雷達不同回波之間的時間差實現海洋深度測算，并首次驗證了激光水深測量技術的可行性（Hickman 和 Hogg, 1969）。

20世紀70年代末，美國國家航空航天局（NASA）成功研制出一種具有掃描和高速數據記錄能力的機載海洋激光雷達（Airborne Oceanographic Lidar，AOL），Hoge 等（1980）用AOL 在大西洋和切薩皮克灣進行了水深的測定，并且繪制出水深小于10 m 的海底地貌（Hoge 等, 1980；Krabill 等, 1984）。此后，機載激光雷達系統蘊含的巨大應用潛力開始受到關注，并很快被應用到陸地地形勘測研究當中。

20世紀80年代初，Arp和 Griesbach以及Krabill等人的研究是該時期的代表（Arp 和 Griesbach, 1982; Krabill 等, 1984）。值得一提的是，當時研究中植被被視作地形測量的“障礙”，因為在冠層郁閉度較高的地區，激光往往被“攔截”。直到1984年，Nelson等（1984）在賓夕法尼亞Blue Mountain地區的研究發現，激光脈沖的穿透力與冠層郁閉度高度相關，并指出激光雷達系統可以用于森林垂直結構的探測以及樹高的估算。但由于當時激光雷達系統較為原始，無法檢測識別低于8m的樹木，使得其在林業的應用上受到一定程度的阻礙（Nelson 等, 1984）。

20世紀90年代后期，全球定位系統及慣性導航系統的發展使得激光掃描過程中的精確即時定位定姿成為可能。其標志性成果為1990年德國Stuttgart大學Ackermann教授領銜研制的世界上第一個激光斷面測量系統，這一系統成功將激光掃描技術與即時定位定姿系統結合，形成機載激光掃描儀（Ackermann-19）。

1993年，德國出現首個商用機載激光雷達系統TopScan ALTM 1020。

1995年，機載激光雷達設備實現商業化生產。

此后，機載激光雷達技術成為了森林資源調查的重要補充手段，廣泛應用于快速獲取大范圍森林結構信息，如樹木定位、樹高計算、樹冠體積估測等，同時還為森林生態研究、森林經營管理提供垂直結構分層、碳儲量、枯枝落葉易燃物數量等參數估算信息(龐勇 等, 2005)。

隨著激光雷達技術的進步與發展，星載激光雷達的研制和應用在20世紀90年代逐步成熟。2003年，NASA根據早先提出的采用星載激光雷達測量兩極地區冰面變化的計劃，正式將地學激光測高儀（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）列入地球觀測系統（Earth Observation System，EOS）中，并將其搭載在冰體、云量和陸地高度監測衛星（Ice, Cloud and Land Elevation Satellite，ICESat）上發射升空運行（http://www.nasa.gov/mission_pages/icesat/）。ICESat2計劃于2018年發射，將要搭載更為先進的單光子激光雷達傳感器，這將為生態學家了解大尺度森林結構參數帶來新的機遇（Hand，2014；White 等, 1996）。

激光雷達技術發展歷程示意圖