王成：不断擦亮感知世界的眼睛

◎ 陈阳

“一切技术都是人的延伸。” 1964年，马歇尔·麦克卢汉（Marshall McLuhan）在《理解媒介》一书中对技术的本质如此阐述道。眼耳口鼻等人体器官是我们认知现实世界的起点，但人体感官的感知终究是浅显且模糊的。随着科学技术的不断发展，人类的“眼耳口鼻”逐渐能够更加精准地触及九天之外、五洋之中的诸多实景与实体。

测绘作为人们获取精准空间数据的基础手段，也曾是一项十分依赖人体感官的行当，但随着多种科学仪器及测量方法的发展，测绘也向着“更快、更高、更远”的方向不断前行。激光雷达技术的发展和普适化应用被视为测绘地理信息领域继GNSS（全球导航卫星系统）之后的又一次重大变革。它的出现不仅将测绘地理信息的生产效率提升到新的高度，更为其走向泛在应用提供了技术助力。

“激光雷达技术，不仅是测绘技术手段的一种迭代，更是人类精准感知世界的一种技术升维，激光雷达遥感为我们精准感知世界提供了一双‘慧眼’，三维点云则为我们构建三维智慧地球提供了关键基础数据。”王成如是说。作为在激光雷达遥感技术及其应用领域深耕了20 余年的一线科研人员，中国科学院空天信息创新研究院研究员王成眼中的激光雷达遥感远不止专业测绘领域。

● 国际数字地球学会中国国家委员会激光雷达专业委员会主任、中国科学院空天信息创新研究院研究员 王成

轻量化开启激光雷达普适应用

如今，当我们谈论激光雷达和三维点云应用时，诸如自动驾驶、智慧城市、电力巡线、地灾防治等与大众生活联系更紧密的领域往往会被投注更多的目光，也让激光雷达这个看似与日常生活相去甚远的专业技术手段走进大众视野。

虽然，激光雷达遥感作为获取三维空间数据的重要技术手段在近些年受到应用市场的追捧，但无论是激光雷达设备还是激光测距技术，都不是新鲜事物。与激光雷达遥感结缘20 余年的王成介绍，早在1916 年，爱因斯坦就第一次提出了激光的概念，激光雷达的核心部件激光器也在20 世纪60 年代成功问世。

那为什么激光雷达的应用发展尤其是在我国的推广起步较晚呢？王成认为，激光雷达设备的国产化、轻量化以及搭载平台的多元化发展是一个重要影响因素。可以说，2005 年是我国激光雷达技术发展和应用的一个关键时间节点。

20 世纪90 年代以来，瑞格（RIEGL）、徕卡（Leica）等国外厂商纷纷推出商用激光雷达系统，我国也在同期开始研究激光雷达技术及应用。但在2005 年以前，我国的激光雷达技术主要集中在科研领域，国产商用激光雷达设备及系统尚属空白。

2005 年以来，国家积极鼓励激光雷达技术及硬件设备的研发和应用推广。此后，包括北京北科天绘、武汉海达数云、大疆创新等在内的国内企业在激光雷达设备研发和应用推广方面都取得了不菲的成绩。

“当然，2005 年只是国内的激光雷达技术和应用产业的起步阶段，而激光雷达的泛在应用，主要得益于硬件设备的轻量化和搭载平台的多元化。”王成进一步介绍，早期商用激光雷达是典型的大块头、高能耗、高成本设备。虽然早在20 世纪90 年代，国外已经出现商用激光雷达系统，但进口设备成本高一直是制约国内应用推广的一大难题。国产设备的出现固然在一定程度上打破了国外厂商的垄断，但轻量化、低成本乃至易用、好用的需求并没有得到很好的解决。

2014 年前后，无人机开始作为激光雷达设备的重要搭载平台被应用市场广泛接纳，激光雷达设备迎来了轻量化发展趋势。正是因为激光雷达设备的轻量化和搭载平台的多元化，才能够满足多领域的应用需求。

“轻量化不仅指设备的小型化、轻型化，也包括了设备采购成本的降低。”王成补充道，激光雷达技术的优势是固有的，早期没能受到应用市场的青睐，很大程度上受限于其设备采购成本。

21 世纪之初，进口激光雷达设备不仅体积大，采购费用也动辄上千万元人民币，这对于部分院校和企业来说无疑是“天价”，加之当时国内激光雷达设备也较为稀少，自然也不可能成为应用市场的选择。如今，激光雷达设备采购价格已经下降到万元级，“亲民”的价格加之其固有的数据采集优势，成为多领域应用的“宠儿”也就水到渠成。

“不难预见，万元级的激光雷达设备并不是终点，激光雷达设备的轻量化在未来依然是重要的发展方向，这也是激光雷达能否真正走向泛在感知和消费级应用市场的关键所在。”王成不无感慨地说。

行业应用仍是重点，泛在服务值得关注

在深耕激光雷达遥感技术及应用的20 余年中，王成及其团队也随着激光雷达遥感的多领域应用，逐渐涉足众多研究领域，并在十余个应用方向上取得了可喜的成果。

2002 年，王成在法国路易斯—巴斯德（Louis Pasteur）大学攻读博士期间，就将激光雷达遥感作为主要研究方向。王成介绍，电力行业应用是他较早涉足的领域，也是目前激光雷达技术较为成熟的一个应用方向。2009 年王成回国后，便在中科院原遥感与数字地球研究所组建了科研团队，并与国家电网等单位共同探索将激光雷达技术应用于电力行业的实施方案。

“我国的高压/超高压输电线路输送里程长、安全要求高，因此电力巡检是输电线路运营管理的常态化工作。受限于自然条件，许多地区的输电线路穿行于群山密林之间，这就增加了电力巡检的难度，传统的人工巡检不仅效率低下，也很难发现通道树障等细节处的隐患。”

王成说，激光雷达技术尤其是机载激光雷达不仅可以直接获取输电线路周边区域高密度、高精度的三维点云数据，还能通过后期数据处理和线路关键要素数字化重建，对线路的安全性和动态变化进行评估，及时发现故障点甚至预测可能出现的安全隐患，既解放了人力还提高了巡检效率。

“比如通过引入树木生长模型分析不同时间段树木长势的点云数据，可以预测出树梢到达输电线路的安全距离，以及可能形成的风险点位置等。”王成补充道。

于电力行业而言，机载激光雷达技术的引入可谓是对传统电力巡检作业方式的一场革命。也正是在电力行业的应用探索，让王成团队不仅总结形成了成熟的应用技术方案，还依靠算法和代码积累，研发出了“巡线魔方”这款点云数据处理软件，这也是王成研究团队推出的可适用于多行业领域激光雷达点云数据处理和应用软件“点云魔方”的雏形。

在20 余年的激光雷达遥感技术与应用探索道路中，王成的步伐并不止于电力行业。2013 年，王成作为项目负责人承担中科院国际合作重点项目“吴哥遗产地环境遥感”，将三维激光扫描技术成功运用于吴哥窟三维建模和环境监测中；在林业调查领域，王成研究团队研发了植被高度、间隙率、覆盖度、叶面积指数、生物量等一系列参数反演算法和模型，同时集成于点云魔方软件中供业界使用，并在我国西南地区的林业调查中得到了应用；在气候变化领域，激光雷达也有一席之地，国家973 项目“青藏高原气候系统变化及其对东亚区域的影响与机制研究”中，王成作为航空遥感试验及激光雷达地表参数反演专题负责人，将激光雷达应用于气候变化研究。

“近期，我们还在和华为公司合作进行5G 通信塔的数字化扫描和建模，进而建立统一的资产管理数据库。”王成介绍，三维扫描和数字化建模是激光雷达的主要技术优势之一，比如在实景三维中国建设中，激光雷达技术之所以被作为基础数据的采集手段，就是因为其在三维点云数据采集和建模方面的优势。

其实，激光雷达的用处何其宽广。除了众所周知的地形测绘、林业调查、电力巡检、建筑物三维重建、自动驾驶等，还有许多待开发和推广的应用领域。“对碳达峰、碳中和‘双碳’目标，激光雷达也有广阔的用武之地，比如森林碳汇监测和计算。森林碳汇是森林吸收并储存二氧化碳的能力，包括激光雷达在内的遥感技术手段在碳汇估算中是一个新兴应用方向。”王成介绍，其实随着激光雷达装备的轻量化进程以及数据处理自动化水平的提高，激光雷达作为一种感知手段，未尝不会像手机摄像头一样融入大众生活。

“毫无疑问，消费级应用一定是激光雷达技术的发展目标，因为这是由市场体量所决定的，大众市场所蕴含的巨大消费需求和消费潜力，是技术发展的重要推动力，激光雷达技术在无人驾驶领域所引起的广泛关注无疑是大众应用市场的先声。但在可预见的未来，当下的行业应用依然是推广重点，因为诸如电力巡检、林业调查、矿区监测、地灾防治等特定行业领域的需求更加迫切，科研和应用投入会更加稳定，这也是供需市场规律决定的。”王成如是说。

难点与趋势：新型传感器和激光雷达大数据

近年来，激光雷达设备正朝着高性能、低成本、小型化方向发展，测距精度、扫描范围和扫描频率等指标也日益精进。王成认为，低成本和轻小型化已经成为商业激光雷达系统的共识，这无疑是发展趋势和未来市场的主导，但并不能称之为发展难点。王成表示，随着应用需求的日趋多样化、精细化，高光谱/多光谱激光雷达设备以及多平台、多源数据融合与计算分析既是激光雷达的发展趋势，也是其技术瓶颈。

王成介绍，目前绝大部分激光雷达系统多采用单波长（如905nm、1064nm、1550nm 等）或双波长（绿光532nm 和近红外1064nm）激光。高光谱/多光谱激光雷达是一种新型激光雷达技术，它具备空间三维和光谱信息一体化探测能力,已经成为对地观测的前沿研究领域。

“高光谱/多光谱激光雷达系统的一个重要应用是植被生理参数的垂直反演。传统的单波段激光雷达缺乏光谱信息，仅能用于植被三维结构探测,难以应用于植被生化组分反演；高光谱/多光谱成像技术虽然能够获取丰富的光谱信息,并用于反演植被光学属性和影响光学属性的叶绿素、含水量、氮含量等生化参数,但其仅能实现空间二维反演。高光谱/多光谱激光雷达能够获取不同波段下的激光雷达信号,反映不同垂直高度下的植被光谱。”王成认为，基于这些特点，高光谱/多光谱激光雷达有望成为未来高精度反演植被生理(结构+生化)参数的最佳手段,提升遥感技术在森林病虫害监测、农作物估产等方面的监测水平。

王成介绍，目前国内外多家企业和科研机构已经在积极开展高光谱/多光谱激光雷达的研究。加拿大的Optech 公司于2014 年推出机载多光谱激光雷达系统；国内的武汉大学、中科院空天信息创新研究院也开展了样机的研制工作。

在数据处理方面，随着商用多平台激光雷达系统的爆发式增长及多行业应用的推广普及，激光雷达数据呈现海量、多源的特点，激光雷达大数据时代已经到来。面对海量、多源的激光雷达数据，如何做好数据共享、融合应用以及高效处理，乃至实时完成三维模型构建等问题，都是激光雷达大数据时代所面临的难题。

不同平台获取的激光雷达数据各具优势。以林业应用为例，机载激光雷达能够获取较大范围的空间结构信息，但是由于密集林区冠层遮挡，很难获取单木的胸径和枝下高等信息，而地基激光雷达能够获取冠层中下部的精细结构，但是其扫描范围有限，获取的冠层顶部信息较少，两种数据融合可以优势互补，为林业调查提供完整的冠层结构信息。

实际应用中，多源激光雷达数据的精准匹配始终是数据处理和定量应用需要解决的关键难题，点云密度相差大、观测尺度不匹配等问题为配准和定量反演带来极大挑战。此外，融合多源激光雷达数据、挖掘其中丰富的地表信息，也是实际应用的重点和难点。王成介绍，目前一些先进的人工智能、机器学习方法为多源激光雷达数据融合提供了新的研究思路。

科技创新往往是从发现问题开始的，而科技工作者们往往是迎难而上的一群人。作为迎难而上的测绘科技工作者，王成对于这些问题和趋势也有自己的思考和建议，他认为，面对激光雷达大数据时代的难题，应该从以下几个方面着手：

一是，建立以资源目录和元数据为核心的激光雷达数据共享平台。在激光雷达快速发展的今天，由于没有形成开放共享的有效机制，各数据生产单位之间相互保密，使得大量投入产生的海量激光雷达数据无法共享，难以充分发挥数据应有的效益。因此，应建立激光雷达数据共享平台，整合分散的激光雷达数据资源，构建面向全社会的智能化管理与共享服务体系，促进激光雷达科学数据共享服务。

二是，发展激光雷达数据处理算法，实现三维信息智能提取。海量不规则的点云数据以及对准确性和高效率的要求给激光雷达数据处理带来了新挑战。随着深度学习的不断突破和三维点云数据的可及性，3D 深度学习已经在2D 深度学习的基础上取得了一系列显著的成果，如基于3D 深度学习的点云语义分割和场景理解、目标检测和分类等。但是，深度学习的理论和技术研究还远未满足激光雷达实际应用的需求，从网络结构、学习算法和性能分析上都有待深入研究和不断完善。

三是，亟须研发具有高处理性能、面向行业用户的激光雷达软件。目前，国内外企业界和学术界已经开发了多种针对点云处理的商用软件和开源软件，比如国外的Terra Solid、CloudCompare 和国内的点云魔方PCM、LiDAR360 等，然而，这些软件的重点主要集中在点云数据管理、点云滤波、目标提取与三维重建、森林垂直结构参数提取、输电线路巡检等方面，点云数据处理软件的智能化、自动化，满足工程应用的功能化方面还有待进一步提高。

如果把激光雷达看作是人类精准感知三维世界的眼睛，那么从事激光雷达技术研发和应用的一线科技工作者们无疑在不断擦亮这双眼睛，让它能够看得更高、更远、更清晰。

王成表示，无论是科技攻关还是应用推广，都不该是一场独角戏，毕竟“孤举者难起，众行者易趋”。2012 年，王成和激光雷达一线同仁们共同发起申请，在国际数字地球学会中国国家委员会下注册成立全国性学术交流机构——激光雷达专业委员会。成立十年来，激光雷达专业委员会陆续召开了六届大会，为我国激光雷达技术发展和应用推广贡献智慧。