激光雷達技術在過去十年間取得了重大進展，徹底改變了測量、林業、城市規劃以及環境監測等諸多領域的應用情況。激光雷達的發展可歸納為幾個關鍵趨勢。本文著眼于新型激光雷達技術的出現、新技術的應用、計算能力的提升以及下一代人工智能（AI），還有高端和低端市場中廣泛的激光雷達解決方案，以及激光雷達的未來潛力。

過去十年間出現了幾種創新型激光雷達技術，包括單光子激光雷達、多光譜激光雷達以及調頻連續波（FMCW）激光雷達。

單光子激光雷達：探測與靈敏度提升

單光子激光雷達是激光雷達技術的一項重大進步，它利用對單個光子的探測來識別物體。 這種創新方法相較于傳統激光雷達系統允許更高的脈沖重復頻率，傳統系統通常需要探測數百個光子才能進行精確測量。 能在如此高的頻率下運行的能力增強了系統的探測能力，尤其在光照條件可能變化的復雜環境中。 單光子激光雷達的主要優勢之一是其卓越的探測范圍和靈敏度，使其特別適用于諸如測深繪圖或城市環境中的精細地表分析等應用（曼德爾伯格，2019 年）。

該技術能夠穿透茂密的植被，有助于更好地評估森林結構和健康狀況。由于其獨特的性能和廣泛的適用性，這項技術未來很可能會出現更多創新。

多光譜激光雷達：整合結構與材質特性

多光譜激光雷達將傳統激光雷達技術與多光譜成像相結合，能夠同時捕捉物體的物理結構及其材質特性。 這種整合對于環境監測、城市規劃和資源管理來說是一個重大變革。 通過納入光譜數據，多光譜激光雷達強化了分類任務，能提供對各種環境條件以及不同材料成分的詳細洞察（庫克科等人，2019 年）。 例如，在林業應用中，這項技術可以區分樹木種類，或者通過分析光譜特征來評估植被的健康狀況。 此外，捕捉更寬波長范圍的能力使其能夠檢測環境中的細微變化，比如污染水平或土地利用的變化。 多光譜激光雷達在精準農業中的應用日益增多，在該領域中，了解土壤和作物狀況對于優化產量至關重要。 多光譜激光雷達如今正以幾年前無法想象的方式解決諸多難題。 這顯示了該技術在監測和傳感器市場以及許多其他商業領域中能夠占據的地位。

圖 1：激光雷達獨有的特點在于，對叢林和森林的觀測不會止于林冠。穿透性的激光雷達技術能夠對森林健康狀況進行自動化分析。

調頻連續波（FMCW）激光雷達：革新測量精度

調頻連續波（FMCW）激光雷達通過持續發射激光束并測量反射光的頻移來實現精確的距離測量和高分辨率成像（范倫斯，2020 年）。這種連續波運行方式使 FMCW 激光雷達有別于傳統的脈沖激光雷達系統，它提高了測量精度，同時降低了與傳統方法相關的復雜性。隨著 FMCW 激光雷達不斷發展，它有可能重新定義多個行業的測量精度和運行效率標準。這項技術在汽車應用方面前景尤為廣闊，在這類應用中，實時數據處理對于安全導航和障礙物探測至關重要。能夠提供準確、連續的數據這一特性使得 FMCW 激光雷達非常適合集成到自動駕駛車輛中，增強它們在動態環境中的態勢感知能力。此外，FMCW 系統復雜性的降低便于將其集成到更小的平臺上，如無人機和小型車輛，拓寬了其在包括城市測繪和基礎設施監測等各個領域的適用性。

激光雷達技術的應用

激光雷達技術的發展在傳感器小型化和集成化進步的推動下，極大地改變了其應用情況。更小、更高效的激光雷達傳感器如今能夠被集成到各種平臺上，包括手持設備、無人機和車輛，這使得它們適用于空間有限的復雜環境，比如汽車和衛星內部。

航空測繪
在無人機上集成激光雷達傳感器徹底改變了航空測繪能力。配備激光雷達的無人機與傳統有人駕駛飛機相比，能夠快速且經濟高效地捕獲高分辨率的三維點云，為更安全、更高效的工作環境開啟了一系列新的應用。

室內或復雜環境測繪
利用同步定位與建圖（SLAM）技術的手持激光雷達系統在室內測繪和復雜環境測繪方面受到了越來越多的關注，能夠在常規設備難以進入的區域快速收集數據（夸德羅斯等人，2021 年）。這些進步對于創建詳細的城市環境三維模型起著重要作用，有助于智慧城市計劃和數字孿生的發展。此類模型能讓城市規劃者可視化基礎設施、評估環境影響并優化資源分配。

自主導航
激光雷達在自主導航中的應用日益增多 —— 不僅應用于自動駕駛車輛，在航空航天業中也是如此，在這些領域中，定位需要高度精確且不受光照條件影響。高分辨率激光雷達數據與人工智能驅動分析的協同作用使車輛能夠安全、有效地在復雜環境中導航（范倫斯，2020 年）。這種技術融合不僅增強了現有應用，還為包括物體探測、自動過濾和監測等不同領域的創新鋪平了道路。

考古發現
最近，一名學生利用開源激光雷達數據在墨西哥尤卡坦半島發現了一座失落的瑪雅古城。通過探測叢林樹冠下的幾何形狀，這名學生發現了一座有著數百座建筑和復雜道路網絡的隱藏城市。開放數據的趨勢以及人工智能日益強大的功能和更廣泛的可用性為更多發現打開了大門。

圖 2：開源激光雷達數據揭示了一座隱藏了一千多年的失落瑪雅古城的古老房屋和建筑結構。

高端與低端激光雷達解決方案
過去十年間，激光雷達市場顯著擴張，產生了適用于高端和低端應用的多樣化解決方案。高端激光雷達系統，例如威力登（Velodyne）和徠卡測量系統（Leica Geosystems）的產品，取得了顯著進步，在自動駕駛車輛、航空航天以及精細地形測繪等應用中提供了更高質量和精度。

價格親民的中低端激光雷達解決方案日益增多，使得這項技術比以往更容易獲得。像雷德爾科技（LeddarTech）的雷德爾維（LeddarVu）和歐斯特（Ouster）的 OS1 等設備就是小巧且價格實惠的激光雷達選項示例，它們可為農業、環境監測和城市規劃等應用提供高分辨率的數據采集。這種雙重進步不僅提高了高端應用的成果質量，還使各個領域的用戶能夠將激光雷達應用于實際的現實世界應用中。

計算能力與人工智能
過去十年間，激光雷達數據處理和傳輸效率有了極大提升，這主要得益于計算能力的進步，特別是云計算和自動化方面的進步。

數據處理與傳輸的進步
自動化工作流程方面的創新使處理激光雷達數據的過程變得更快、更高效。現代系統能夠自動對齊點云并進行質量保證，極大地縮短了將原始數據轉換為可用格式所需的時間。這意味著客戶如今能夠更快地獲取準確信息，加快了決策過程（夸德羅斯等人，2021 年）。

云計算的興起徹底改變了激光雷達數據的處理方式。實地團隊如今可以將數據上傳到云端，在那里數據能實時得到處理。這種能力對于災害應對和城市規劃等關鍵應用尤為寶貴，在這些應用中，掌握最新信息對于及時且明智地做出決策至關重要（庫克科等人，2019 年）。

云計算每年都在發展。它確實突破了以往認為不可能的界限，同時也拓展了數據源的應用邊界。例如，云計算 —— 特別是與人工智能（見下文）相結合 —— 對于密集點云有著令人矚目的應用潛力，而傳統上對密集點云進行操作成本頗高。

圖 3：展望智慧城市的未來，激光雷達將在精確物體探測、監測、自動駕駛等方面發揮關鍵作用。

人工智能與激光雷達
將人工智能（AI）融入激光雷達技術改變了其應用情況和整體效能，標志著遙感領域的重大發展。人工智能算法通過自動執行特征提取、分類和異常檢測等任務來增強激光雷達數據處理能力，從而顯著提高效率和準確性。例如，機器學習技術能夠快速對點云進行分類，從而識別出諸如建筑物、植被和基礎設施等特征。這種能力對于城市規劃、環境監測和災害管理等應用至關重要（范倫斯，2020 年）。

此外，人工智能驅動的數據挖掘技術利用高密度點云數據來預測環境變化并評估人類影響，有助于更有效地進行資源管理（庫克科等人，2019 年）。實時分析大量數據的能力增強了關鍵場景（如應急響應工作）中的決策過程，在這些場景中，及時的信息至關重要。

人工智能在處理點云方面優于人類，并且很快將能夠比任何書面函數或算法更好地過濾和分類密集點云。隨著這些技術不斷發展，激光雷達解決方案的成本有望降低，從而擴大其在各個行業的可及性并鼓勵廣泛應用。這種融合不僅增強了現有系統的能力，還為創新開辟了新途徑。

激光雷達的未來
過去十年見證了激光雷達技術的顯著進步，改變了其在包括測量、城市規劃和環境監測等各個領域的應用。單光子、多光譜和 FMCW 激光雷達等關鍵發展增強了探測能力、測量精度以及捕捉詳細材質特性的能力。將更小、更高效的傳感器集成到無人機、手持設備和車輛中，使激光雷達的應用變得更加普及，使其能夠應用于復雜環境并為創新開辟了新途徑。此外，計算能力的提升，特別是通過云技術和人工智能集成實現的提升，徹底改變了數據處理方式，實現了實時分析并加快了決策速度。

激光雷達技術的未來潛力巨大且前景光明，這得益于傳感器精度、小型化以及數據處理能力的持續進步。在自動駕駛車輛、智慧城市和環境監測等新興應用中，激光雷達提供高分辨率、實時三維測繪的能力將使其受益匪淺。隨著人工智能和機器學習算法變得更加復雜，它們將進一步增強激光雷達的數據分析能力，實現預測建模和自動特征提取。此外，激光雷達與其他技術（如全球定位系統、無人機和物聯網）的集成將創造出更全面、更多功能的系統，擴大其在農業、災害管理和物流等行業的應用。

隨著持續的研發，激光雷達系統的成本有望降低，使其更易獲得并推動各個行業的創新。這種發展有望在眾多應用中開啟精準和高效的新可能。因此，激光雷達有望在塑造智慧城市、改善資源管理以及促成開創性發現方面發揮關鍵作用。

圖 4：傳感器小型化和集成化的進步意味著激光雷達傳感器如今能夠被集成到更小的平臺上，比如衛星。紐維（NUVIEW）公司旨在建立首屈一指的商業衛星星座，利用先進的激光雷達技術每年對地球整個陸地表面進行測繪。

激光雷達發展歷程中的一個前期階段

在 2005 年至 2015 年間，光探測和測距（激光雷達）技術取得了重大進步，提高了其精度、通用性和可及性。在此期間的早期，多回波系統的引入通過捕捉單個激光脈沖的多次反射，實現了詳細的植被測繪并改進了地形建模。激光雷達傳感器的小型化也進展迅速，使其能夠被集成到更小的平臺上，如無人機（UAV 或 “無人機”）。這通過提供來自以往難以觸及區域的高分辨率數據，徹底改變了遙感技術。波形激光雷達技術的創新通過記錄整個回波信號進一步提高了數據質量，從而能夠對表面和物體進行更詳細的分析。此外，全球定位系統（GPS）和慣性測量單元（IMU）集成方面的進步提高了激光雷達系統的精度，使其成為建筑、城市規劃和自動駕駛車輛等行業的必備工具。在此期間，由于半導體激光技術的改進和規模經濟效應，成本也有所降低，使得激光雷達更易于用于各種商業和研究目的。這些創新共同將激光雷達從一種專業工具轉變為在多個行業廣泛應用的技術。

文章來源：gim-international，作者：Lars Langhorst

由小助手整理編譯。

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作者：Lars Langhorst

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