概要

激光雷達是一項測繪技術(shù)，采用激光來(lái)測量設備到目標表面的距離。簡(jiǎn)言之，這項技術(shù)能以驚人的精度為房間、大面積地形等各類(lèi)對象生成三維地圖。我們將在本文介紹激光雷達解決方案的功能特征、各種類(lèi)型及應用方式。

激光雷達類(lèi)型

機載式、移動(dòng)式、固定式

目標應用

計算深度和距離，基于捕獲的數據生成地圖，并用于工程、建設、城市規劃等多個(gè)領(lǐng)域。

距離

遠距、超遠距；大型、超大型空間

在深入了解激光雷達掃描的原理之前，首先，我們來(lái)了解下激光雷達英文名稱(chēng)LiDAR是怎么來(lái)的?！皉adar”（雷達）的名稱(chēng)來(lái)源于“radio detection and ranging（無(wú)線(xiàn)電探測和測距）”，“sonar”（聲吶）來(lái)源于“sound detection and ranging”（聲音探測和測距）。而LiDAR同樣是縮寫(xiě)。

“Light detection and ranging（光探測和測距）”或“laser imaging, detection, and ranging（激光成像、探測和測距）”，無(wú)論哪種方式的首字母縮寫(xiě)，都是LiDAR。

激光雷達能捕獲的范圍各不相同：從海拔、坑洞、植被到整個(gè)城市，您都可以在電腦屏幕上看到它們的三維地圖，還能放大查看細節，或查看完整全貌。激光雷達，可謂功不可沒(méi)。

為了更直觀(guān)地介紹激光雷達的功能，這里舉例說(shuō)明：紐約市的三維地圖就是根據激光雷達的空間數據、全彩相片、衛星圖制作的。這張地圖，以及您經(jīng)?？吹降钠渌擎偟貓D都可以在谷歌地圖上輕松訪(fǎng)問(wèn)，同時(shí)，您還可以從各個(gè)角度（除了底部）仔細查看摩天大樓、廣場(chǎng)、紀念碑等各種地標建筑，細節驚人。當然，我們也能看平面圖，但如果大型城市的俯瞰圖能有平面圖遠不能及的真實(shí)感，我們?yōu)楹螚壷挥媚兀?

除了制作精彩圖片，激光雷達還有什么過(guò)人之處？

激光雷達已經(jīng)為工程、建筑、城市規劃等領(lǐng)域提供了巨大的可能性，這些領(lǐng)域的諸多決策取決于能否獲得大型、超大型表面區域形狀和尺寸的精確信息。比如，你要在山區修建一條馬路，您需要知道要準備多少建筑材料，以及施工需要多長(cháng)時(shí)間。道路長(cháng)度不僅僅是兩點(diǎn)間的距離。要解決這一問(wèn)題，您要考慮沿途所有起伏道路。但解決這個(gè)問(wèn)題，難道要帶著(zhù)卷尺和指南針去森林嗎？這不現實(shí)。這時(shí)，機載激光雷達系統就能為您提供一個(gè)快速準確的解決方案。

要點(diǎn)

激光雷達技術(shù)為工程、建筑、城市規劃等領(lǐng)域帶來(lái)了新的可能，這些領(lǐng)域的不少決策都取決于能否獲得大型、超大型表面區域形狀和尺寸的精確信息。

激光雷達工作原理

激光雷達傳感器通過(guò)發(fā)射激光束來(lái)掃描周?chē)h(huán)境。光線(xiàn)照射到表面時(shí)，會(huì )反彈至激光雷達設備，設備接收射入信號。激光雷達會(huì )根據使用的技術(shù)，通過(guò)記錄光束返回的時(shí)間或分析射入信號的相移，來(lái)計算設備到表面的距離。

要點(diǎn)

激光雷達通過(guò)記錄光束返回的時(shí)間或分析射入信號的相移，來(lái)計算設備到表面的距離。

該傳感器由兩個(gè)關(guān)鍵部分組成：發(fā)射器與接收器。發(fā)射器朝著(zhù)被掃描物體的方向發(fā)射多達幾十萬(wàn)個(gè)激光脈沖。脈沖一旦到達表面，即會(huì )反彈或反向散射，隨后，信號被接收器接收。定時(shí)電子裝置計算脈沖從傳感器抵達目標表面并返回所用的時(shí)間，確切來(lái)說(shuō)，即返回延遲的時(shí)間。

延遲越久，說(shuō)明表面距離傳感器的距離越遠。這項技術(shù)被稱(chēng)為飛行時(shí)間激光掃描。請注意，移動(dòng)或機載激光雷達系統還有慣性測量單元（IMU，由加速度計、陀螺儀和其他傳感器組成）和GPS跟蹤器，以獲得激光脈沖每個(gè)發(fā)射時(shí)間點(diǎn)上收發(fā)器的XYZ坐標。所有這些數據都由計算機進(jìn)行分析，輸出的是點(diǎn)云數據格式的表面三維地圖。

除了飛行時(shí)間外，還有相位轉移技術(shù)。相位掃描技術(shù)利用一束從掃描儀發(fā)射出的恒定激光能量，測量返回激光能量的相移并據此計算距離。

重要術(shù)語(yǔ)

飛行時(shí)間：利用脈沖在兩點(diǎn)之間移動(dòng)的時(shí)間來(lái)計算兩點(diǎn)間距。

相位轉移：計算以相同頻率或時(shí)間發(fā)射的兩個(gè)波形間的延遲。

飛行時(shí)間掃描儀和相位掃描儀之間的主要區別體現在捕獲速度和工作范圍。飛行時(shí)間掃描儀的采集速度通常在每秒幾百至幾千點(diǎn)。而相位掃描儀的速度能達到每秒幾十萬(wàn)點(diǎn)。相位掃描儀速度更快，使之成為諸多應用場(chǎng)景下的首選工具。

另一方面，飛行時(shí)間掃描儀的工作范圍更廣，從一米到一公里，都能采集有效數據。飛行時(shí)間掃描儀也因此更適合遠距測量的應用場(chǎng)景。

激光雷達掃描儀精度

根據掃描儀類(lèi)型和環(huán)境條件，激光雷達系統的精度范圍可以從亞毫米級到幾十、幾百毫米不等。不少因素可以影響激光雷達掃描儀所收集的3D數據準確度。

和其他掃描儀一樣，激光雷達是工廠(chǎng)標定設備。在交付給客戶(hù)前，掃描儀將“接受訓練”，在已知位置測量與幾百個(gè)反射率已知的目標物距離。誤差函數已創(chuàng )建并存儲在掃描儀軟件中。但是，工廠(chǎng)標定無(wú)法涵蓋掃描儀在特定項目中可能掃描的全部表面類(lèi)型，因此，間距有時(shí)是基于反射率已知的相近表面數值計算的。

另一個(gè)重要因素是區間噪點(diǎn)，即每次獨立測量值和平均距離間的差異。區間噪點(diǎn)主要受掃描物體的距離以及表面反射率等特性影響。

激光雷達掃描儀的機械部件也可能有誤差，特別是隨著(zhù)時(shí)間推移，更有可能發(fā)生，因此，制造商建議每隔幾年就要重新標定掃描儀。

風(fēng)速、太陽(yáng)輻射、空氣溫度和濕度等環(huán)境因素也會(huì )扭曲激光脈沖的反向散射，影響收集數據的質(zhì)量。

顯然，制造商十分了解可能影響激光雷達掃描儀精度的各類(lèi)因素，從而確保掃描儀能產(chǎn)出無(wú)可比擬的優(yōu)秀精度。我們將在下文介紹Artec Ray，這是一款角精度出色的激光雷達掃描儀。

激光雷達類(lèi)型

我們已經(jīng)提到了兩類(lèi)激光雷達：移動(dòng)式和機載式。再加上固定式，就是目前主流的三大類(lèi)型。

固定式激光雷達掃描儀

我們先來(lái)介紹固定式激光雷達掃描儀，這是技術(shù)核心。所有其他類(lèi)型都來(lái)源于此。和移動(dòng)式、機載式系統相比，固定式激光雷達掃描儀通常適合處理較小面積。但是，固定式設備精度高。

固定式激光雷達掃描儀被廣泛應用于逆向工程、質(zhì)量檢驗。借助激光雷達，您可以?huà)呙璺块g、建筑和任何類(lèi)型的車(chē)輛，無(wú)論是穿越陸地、空氣、水域還是外太空。

假設您需要改造一個(gè)面積達幾十平米的管道系統，或正計劃維修一棟建筑，又或者正在考慮逆向制造飛機機身。在這些場(chǎng)景下，您需要相關(guān)表面的精確尺寸。這時(shí)，固定式激光雷達掃描儀就能大顯身手。特別是遇到有些表面離地太高，想用手持掃描儀就必須先搭建一些腳手架，這時(shí)，固定式掃描儀就更方便了。

固定式激光雷達三維掃描儀Artec Ray制作的管道系統三維掃描。

現在，我們回過(guò)頭來(lái)，看看如何才能獲得截圖中的效果。換言之，如何使用激光雷達掃描儀？事實(shí)上，您要做的工作并不多。掃描儀被放在三腳架上，置于掃描物體或場(chǎng)景前。輕點(diǎn)一下，Artec Ray就會(huì )開(kāi)始創(chuàng )建掃描區域的預覽圖像。如果預覽圖像就是您打算掃描的區域，那掃描儀位置無(wú)需再調整，那么Ray就會(huì )繼續進(jìn)行完整捕獲，采集物體或場(chǎng)景的全部數據。

如果您希望在掃描處理階段時(shí)能更快完成對準，或提高三維掃描數據的準確度，您可以考慮在掃描區域內擺放標記點(diǎn)。掃描儀能在幾乎任何環(huán)境下輕松探測這些標記，并在掃描結束、數據收完后，依靠標記點(diǎn)，通過(guò)軟件快速高效地對齊所有掃描。

物體周?chē)鷶[放的標記點(diǎn)示例

一些激光雷達型的掃描儀，如Artec Ray，無(wú)需依賴(lài)標記點(diǎn)，就能完成配準和對齊，同時(shí)還能保持高的精度水平。Ray是目前市面上領(lǐng)先的計量級設備。Ray可與目標物相距110米，小到車(chē)身，大到大型飛機或建筑物，都能掃描。遇到規模如此龐大的項目，您一定不希望見(jiàn)到很多噪點(diǎn)和對齊不準的情況，也一定不愿意拿著(zhù)設備再次返工，重新采集第一次失誤的地方。

但有了Artec Ray，就沒(méi)有后顧之憂(yōu)：這款掃描儀在相距10-15米遠時(shí)，距離精度可達亞毫米級，角精度也毫不遜色，確保您在處理大面積表面時(shí)得到精準的效果。借助掃描預覽，您還可以檢查掃描儀的當前位置是否適合本次采集，如有必要，調整設備位置。

Artec Ray常規工作流程“維修室三維數據采集”。數據不僅可以傳輸至掃描儀連接的筆記本電腦，還可以無(wú)線(xiàn)傳輸至iPad甚至iPhone上。

達到Ray的掃描精度，就能基于3D模型逆向制造工業(yè)物品，對比大型機械部件的3D模型和CAD圖紙完成質(zhì)量檢驗，還能制作3D雕像用于遺跡保護，為全球博物館制作在線(xiàn)展覽。應用場(chǎng)景數不勝數。

機載激光雷達掃描測繪

如果使用激光雷達傳感器在空中飛行，那應用范圍就更廣了。這正是在修建新路、鋪設山脊管道、設計全新高爾夫球場(chǎng)前，工程師們要做的工作。激光雷達掃描儀裝在飛機或直升機上，就能采集幾百平方公里的三維數據，不過(guò)，采集大型地面信息時(shí)，機載激光雷達就無(wú)法達到亞毫米級精度。這種情況下，公差范圍可達幾厘米，但這也足以滿(mǎn)足大部分大型項目的需要。

移動(dòng)式激光雷達應用場(chǎng)景

移動(dòng)式激光雷達傳感器則把精度和掃描物體大小之間的關(guān)系拿捏得恰到好處，這也解鎖了更激動(dòng)人心的應用場(chǎng)景，服務(wù)對象遠不止工程師。激光雷達系統可以安裝在自動(dòng)駕駛汽車(chē)上，持續掃描周?chē)h(huán)境，實(shí)時(shí)計算與最近車(chē)輛、行人等任何障礙物之間的距離，以避免碰撞。

利用遙感技術(shù)保駕護航

激光雷達掃描儀與iPad Pro、iPhone Pro

激光雷達傳感器的消費級應用遠不止自動(dòng)駕駛汽車(chē)而已。Apple的iPad Pro和iPhone Pro（12起），都能享受到激光雷達技術(shù)。這些設備可以?huà)呙?米內的物體，隨后與IKEA Place應用程序整合，用AR技術(shù)為用戶(hù)布置房間，也能與“熾熱熔巖”整合，將玩家周?chē)h(huán)境變成游戲場(chǎng)景。

雖然Apple的激光雷達技術(shù)沒(méi)有達到制造業(yè)的精度和分辨率標準，但AR購物和游戲目前來(lái)看，是這項技術(shù)被看好的應用場(chǎng)景。iPad和iPhone引入激光雷達技術(shù)后，刺激了這些應用場(chǎng)景的發(fā)展，三維掃描技術(shù)用戶(hù)數量大幅上漲。Apple的小工具讓過(guò)去計量工程師、測繪師的專(zhuān)屬技術(shù)走到了普通用戶(hù)的眼前。

結論

謎題解開(kāi)。激光雷達能實(shí)現諸多可能，無(wú)數應用場(chǎng)景值得我們探索。這項技術(shù)能幫助我們建造城市，制作細節圖片，修建道路。下次在城市中散步時(shí)，您或許要想想，您究竟置身數字世界還是現實(shí)世界？

讓Artec Ray帶您了解激光雷達技術(shù)，擁抱技術(shù)優(yōu)勢。