无人机激光雷达:改变我们看世界方式的突破性技术

如果你对无人机感兴趣，你可能听说过激光雷达这个术语，尤其是在过去几年。

但是什么是激光雷达，它是如何在无人机上使用的呢?

这篇文章将深入探讨这个话题，首先看看什么是激光雷达，然后看看激光雷达在无人机上使用的不同场景。

查看下面的视频，了解激光雷达的全面介绍，并确保继续阅读以了解更多。

什么是激光雷达?

LiDAR这个词有时被认为是光探测和测距的缩写，有时被认为是光成像、探测和测距的缩写，但它最初是这两个词的混合光而且雷达．

激光雷达是一种陆地测量方法，它通过脉冲激光照射目标，然后用传感器测量反射脉冲，从而测量到目标的距离。激光返回所需时间的差异以及波长的差异，随后被用来制作目标的数字3d表示。

声纳的工作原理与此类似，声波从物体上反弹后返回声源，表明物体上不同点的距离，从而实现物体的三维可视化。

一个例子，来自Velodyne公司的无人机三维测绘系统的激光雷达图像

用无人机代替飞机使用激光雷达进行空中数据收集是一种相对较新的陆地测量技术，它基于高精度激光扫描仪、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)。这三件事结合在一起可以实现非常精确的3D映射。

lidar的一个革命性的方面是——与需要从大量照片中综合数据的摄影测量不同——它允许测量员切割树叶和其他干扰碎片来创建一个详细的景观地形图，而不需要花时间步行。

激光雷达如何应用于无人机?

在无人机出现之前，激光雷达只能用于飞机的空中数据收集，这意味着它很昂贵，而且不能广泛使用。

但随着无人机技术变得越来越便宜，激光雷达技术也在同步发展，这意味着准确的测量越来越适合每个人，而不仅仅是大型、资金充足的项目。尽管激光雷达仍然比摄影测量更昂贵(我们将在下面详细介绍这两种测量数据收集方法的区别)，但它现在比一两年前更容易获得。

一架配有激光雷达数据捕获系统的无人机

在测量时，激光雷达通常用于以下场景:

• 您正在绘制树冠下、矿井传送带和其他障碍物。
• 您正在建模的窄对象需要更精确的细节，例如传输线、管道、锋利的边缘特征(例如屋顶边缘)和岩石(团聚体)。

以下是激光雷达目前正在使用的一些场景

考古

激光雷达最值得注意(也是最酷的)的用途之一是帮助考古学家发现新的遗址，以及帮助他们更好地了解现有的遗址。

在许多情况下，考古学家可能不想在现有的遗址上挖掘，因为他们不想冒着破坏目前保存在土和沙下的遗迹的风险——但激光雷达可以让他们不需要挖掘就能看到那里的情况。

看看史密森尼博物馆的这段视频，它解释了激光雷达是如何被用来揭示吴哥窟的一座隐藏城市的:

今年早些时候史密森学会报告了使用激光雷达研究El Mirador盆地430英里丛林的情况。El Mirador盆地是中美洲的一个广阔地区，到处都是玛雅文明的遗迹，包括巨大的道路和寺庙网络，这是通过使用激光雷达数据首次发现的。

如果没有激光雷达，埃尔米拉多可能永远不会被发现，或者至少不会全部被发现——这是很有意义的，因为在埃尔米拉多遗址的发现表明，在比目前玛雅人的考古学理论更古老的时期，埃尔米拉多的文化和技术水平很高，并随后导致我们对整个玛雅世界的理解的普遍反思。

农业

激光雷达可以帮助农民发现昂贵的化肥被过度使用的地区，还可以帮助创建农田的高程地图，可以转换成坡度和阳光照射区域地图。

通过激光雷达提供的层信息可以用来创建高、中、低作物生产面积地图，提取的数据可以帮助农民节省化肥，总体上优化他们的努力。

图片来源

工业测绘

激光雷达被用于各种工业应用，用于创建3D地图:

• 储存测量数据
• 采矿作业，包括测量用于采矿的矿石量
• 大型工业项目和建筑项目的地形图绘制
• 跟踪资源
• 测量交通情况下的道路(例如，当汽车在路上行驶时)

值得注意的是，当涉及到工业应用时，激光雷达经常与摄影测量结合使用——向下滚动查看两者的深度比较。

保护

激光雷达有助于为保护工作制作精确的地图，美国许多州已经开展了密集的数据收集工作，以更好地记录它们的自然资源，以便更好地保护它们。

的爱荷华州自然资源部例如，该公司使用激光雷达数据为他们的地理信息系统(GIS)提供信息，这是一个关于该州所有自然资源的信息库。

林业是一个使用激光雷达测量树冠高度、生物量测量和叶面积的保护领域。

图片来源

节约用水是另一个使用激光雷达数据来绘制暗渠、洪泛平原、分水岭、淹没和洼地(即发生/可能在未来发生洪水和干旱的地区)地图的地区。

激光雷达数据，包括等高线地图、数字高程模型、山阴投影等衍生工具，正在帮助广泛的自然资源保护应用。

- - - - - -明尼苏达大学水资源中心

沙丘监控以及其他相关的自然资源监测也可以通过激光雷达完成，一些国家公园开始允许使用无人机绘制沙丘的地图和模型。

自动驾驶汽车

激光雷达技术目前的应用与无人机或测绘无关，但它很酷，我们认为它值得应用，这就是自动驾驶汽车的开发。

激光雷达可以探测到道路上的黄线，这告诉车辆驶向哪里，自适应巡航控制(ACC)使用激光雷达技术，帮助处于巡航控制中的车辆在前方有车辆时减速，在无车辆时加速。

看看这段视频，简要了解一下激光雷达是如何在自动驾驶汽车上使用的:

摄影测量vs激光雷达

说到测量，人们一直在争论摄影测量和激光雷达的比较价值，以及哪一个是最好的。

事实是，没有一个正确的答案——这真的是一个具体的应用程序被考虑的问题。摄影测量技术适用于某些情况，而激光雷达则适用于其他情况。

摄影测量是一门根据照片进行测量的科学，用来记录表面点的精确位置，从而生成3D地图。

摄影测量在历史上一直是一个详尽而耗时的过程，但无人机彻底改变了这一切，一方面它允许在一次飞行中对一个地点拍摄数千张航拍照片(查看这篇关于3D测绘的博客文章，了解这一过程是如何工作的)，另一方面也因为新技术已经被开发出来，可以帮助将所有这些照片集成到一张3D地图中。

那么，你如何知道是使用激光雷达还是摄影测量呢?

一般来说，经验法则是，摄影测量适合于调查没有树木覆盖或其他障碍的大型地点，而激光雷达适合于较小的，有障碍的地点。(值得注意的是，这些尺寸建议主要是关于成本的，因为激光雷达变得越来越便宜，成本可能在选择一种或另一种测量技术时越来越不重要。)

这篇文章SPAR3D提供了一些很棒的指导方针，帮助你判断哪一种方法最适合特定场景，我们总结如下:

在下列情况下应使用激光雷达:

• 因为摄影测量在物体遮挡地面的区域生成高程模型时遇到了麻烦，所以您要在树冠、矿井传送带和其他障碍物下面进行绘图。
• 您正在建模狭窄的对象，如传输线、管道、锋利的边缘特征(例如屋顶边缘)和岩石(聚合体)领域，因为替代的映射方法，如SfM算法和DIM具有比LiDAR更低的“一致性”，从而导致生成的3D地图的细节质量较低。

在下列情况下应使用摄影测量:

• 您正在成像裸地矿址、土方工程项目和其他没有被树木、建筑物或设备遮挡的区域。
• 您正在执行一个小的测绘项目和摄影测量数据将适合您的需要。

尽管如此，一般的建议是，如果你使用激光雷达，你也应该使用摄影测量。逻辑是，激光雷达是两种选择中比较昂贵的，而且由于摄影测量将提供额外的有用数据，你不妨两种都做。

然而，新的激光雷达技术可能会改变这些建议。毕竟，无人机的激光雷达变得越便宜、越容易获得，我们就会看到更多的人采用它。