杨必胜：从0到N，机载雷达开启普及化的关键钥匙

杨必胜

国家杰青、长江学者特聘教授、武汉大学教授。长期从事三维地理信息获取与分析方面的理论与方法研究。

激光雷达技术作为上世纪最重要的科技成果之一，由于其优势突出，在较短时间内得到了大规模发展，先后被应用在飞机、汽车、卫星、空间站、无人机等平台上。在所有应用的平台中，“后起之秀”的无人机机载激光雷达技术（下称机载雷达）成为当前应用最广的技术之一。“但可以预见，在未来的航空遥感领域，机载雷达将成为主流。”国家杰青、长江学者特聘教授、武汉大学教授杨必胜表示。 

机载雷达应用广泛

杨必胜指出，当前机载雷达应用主要集中在工程应用和科学研究两大领域。

在工程应用领域，机载雷达多应用在电力、水利、交通、测绘、林业、灾害监测、文物保护等行业。“其中电力、水利、交通、测绘领域是用机载雷达最多的，而且用得也很成功。”杨必胜说。

▲海达数云ARS-200机载激光测量系统在山区开展基础测绘作业

在科学研究领域，机载雷达应用在全球森林研究和地球物理研究两个方面。其中，在全球森林研究方面，机载雷达被用于获取森林冠层表面的水平和垂直结构信息，为研究人员计算碳源和碳汇提供数据支撑；在地球物理研究方面，研究人员利用机载雷达获取冰裂隙的宽度和深度，以了解全球冰川的变化。“由于裂缝很细，利用光学相机进行采集的航空摄影测量技术是很难发现的。因此在研究冰川变化上，机载雷达是研究人员手中必备的研究手段。”

机载雷达之所以能在上述两大领域大放异彩，杨必胜把原因归结于以下几个方面。首先，机载雷达是一种主动式技术手段，不易受大气环境和太阳光线的影响，可大大提高数据采集的可靠性以及抗干扰能力。“换言之，人不需要到现场，尤其是在面对极端恶劣环境时，通过机载雷达就可以把数据给扫下来。”其次，机载雷达能够通过对地面及其覆盖物（植被、电力线等）等目标进行三维扫描，以低成本、快速度的方式得到高密集、高精度的数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)等成果。“有了这些丰富的成果，我们就能精细刻画出目标对象的三维形态，为后续的数字化管理提供一个最根本性的数据支撑。”最后，机载雷达技术的成熟驱动了设备价格的降低，让越来越多的行业用户能买得起，且用得放心。“只有当技术逐步成熟后价格才有所下降，也才会促使其被应用于更多的场景，从而衍生出市场需求。”杨必胜说。

三大问题亟待解决

在机载雷达广泛应用的同时，其自身也遇到了一些问题。杨必胜指出，首先，机载雷达数据处理的标准和规范不够完备。这是因为机载雷达作为一种主动式的数据采集手段，所采集的数据是高度冗余的。相对于传统数据来说，目前机载雷达采集数据的标准还不是很完善，有些甚至还没有标准。“很多人会面临有了这些数据后我该如何去用的问题。绝大多数人希望只用机载雷达扫一次，就能把所有可能获得的东西全部都得到。但在现阶段这只是一种美好愿望，目前还做不到这一点。”杨必胜笑着说道，另外，操作流程的标准化也是目前没有解决的问题。“如果没有明确统一的标准，作业员的习惯就会被限制住，这就不利于机载雷达的推广和使用。所以我觉得这方面可能是当前最大的一个问题。”不过，目前中国测绘学会已开始征集标准和规范，包括武汉大学在内的科研院校也陆续提交了标准和规范。“希望通过群策群力把标准和规划尽快建立起来，从而更好地推动机载雷达的行业应用。”

▲海达数云机载激光测量系统生成的点云数据

其次，机载雷达设备价格问题。虽然机载雷达的价格较以前有所下降，但目前市面上的机载雷达设备整体价格偏高，在短期内实现普适化的应用会受到限制。“我认为价格不是主要问题，随着技术的成熟会带动设备价格下降。”杨必胜说。

最后，机载雷达数据质量的可靠性问题。由于机载雷达是处于无人机移动平台上，这必然就会影响数据的质量。“面对海量的数据，目前没有一种手段能够很好地去判断哪个地方是可靠的，哪个地方是不太可靠的……这个方面我觉得后续要做一些基础性的研究。”杨必胜指出，目前不同的行业应用机载雷达的精度要求是不一样的，有的行业需要厘米级，有的行业仅需要分米级。那么配备什么样的机载雷达装备能够确保数据质量？“这个问题也很复杂，它跟周围的环境、整个采集过程是高度相关的。”

“如果上述三个问题得不到及时解决，机载雷达的普适化应用将会是一句空话。”杨必胜如是说。

产业发展需要行业合力

机载雷达大规模应用的背后是一条由上下游多方力量建立的良性循环的生态产业链。杨必胜指出，上游主要分为发射、接收、扫描和信息处理等部分，这部分随着技术发展愈发成熟，上游器件的成本很大程度上引领着机载雷达的应用；下游主要是指包括测绘、导航等多类需求在内的应用领域，这部分已是蓄势待发，同时自动驾驶、高精度地图等市场也存在大量需求，这催生出了机载雷达的市场需求。目前需求主要分为两部分：一部分是消费级需求。该需求主要是做大众化，其对机载雷达的基本要求是小型化和低价格。目前国内已有不少厂家正在着手做；另一部分是测绘级需求，该需求主要面向行业用户，其对机载雷达的基本要求是高精度和高性能。目前国内外厂商都在做，例如Riegl、Optech、徕卡、海达数云等。“近几年，国内厂商投入大量研发在设备上取得了很大的进步，逐步完成了技术的追赶，甚至在一定范围内实现超越。激光雷达产品不仅测量范围更远、探测精准度更高、空间分辨能力更强，而且在可靠性、安全性、成本控制等方面也逐渐成熟，产品迭代速度很快。但是从整体上来说，国内机载雷达设备与国外还是存在一些差距，主要缘由还是在于核心元器件。”杨必胜表示。

面对需求的不断增长，不论是企业还是科研院校都在积极推动技术的发展。“在硬件生产方面，企业做得较多，科研院校也在做。而在软件开发方面，科研院校做得较多，其中高校更多是做基础算法研究和面向行业应用需求的定制性研究，企业相对做得较少。”杨必胜分析道，目前来说，各单位各具优势，只有把不同类型的单位的自身优势发挥出来，彼此进行一个互补，从而形成一个良性循环的生态产业链，进而合力推动机载雷达的发展和应用。“毕竟整个产业链很长，单纯某一家单位就能把这个链条从头到尾都建立起来，这是不太现实的。”

▲海达数云ARS-1000L机载激光测量系统在高原上进行公路勘测

“我们团队在产学研用方面也做了一些尝试。”杨必胜继续介绍着，第一方面是在电力行业，针对机载雷达安全监测与产业化应用的共性关键技术难题进行了长期、系统的产学研用协同创新研究。历时近10年，杨必胜团队攻克了电力走廊安全监测“难看全”“难看清”和“难判准”三大技术瓶颈，建立了一套高精度、智能化、三维可视化的电力线路立体化安全监测体系，高效可靠地保障国家电力线路的安全可靠运营，研究成果获得了2019年唯一的测绘科技进步奖特等奖；第二方面是在交通行业，针对交通的数字基础设施用机载雷达做改扩建的评估；第三方面是在测绘行业，主要围绕新型基础测绘，如实景三维中国展开应用。“我们正在跟武汉市测绘研究院、上海市测绘院、北京市测绘设计研究院等单位合作，希望能把机载雷达用起来，提升生产效率。”杨必胜说。

机载雷达的快速发展不仅在于多方力量的合力推动，更在于应用需求的不断拓展。当前，基于数字中国的新型基础设施，包括数字孪生等，都是将物理空间的数字化，且对物理空间数字化的详细程度的要求也会越来越精细，这必然会为机载雷达带来巨大的市场空间。当然，若要满足未来更多的需求，机载雷达设备的多元化势在必行。所谓多元化是指设备既要满足测绘，又要满足消费，同时还要满足大众，且对精度、体积、重量和价格等都有不同要求。“从另外一个角度上来说，智能是一个必然趋势。我们以前的智能较多体现在软件上，但软件跟硬件是不可分的。未来的趋势是让智能赋能机器，我们可以把机载雷达看做是一部机器，那么将来让设备更加智能，也是一个趋势。”杨必胜最后展望道。

作者/孙蓓 编辑/何溪

点击了解中海达更多资讯：

记得分享/点赞/在看三连哦