由于地球表面覆盖着大量的植被，从天空直接观测地球表面特征有着很大的难度。如今，机载激光雷达（LIDAR）这一新兴对地观测技术令人们可方便快捷地从天空探测到地表和地层的真相。
机载激光雷达是一种安装在飞机上的激光探测和测距系统，研究人员将这种激光测量仪器与全球定位系统（GPS）结合在一起，可绘制数千公里范围内的地球表面特征图，其分辨率可达分米。威廉·E·卡特（William E. Carter）等人创办了（美国）全国机载激光测绘中心，该中心由美国国家科学基金会（NSF）资助，并由休斯敦大学和加州大学伯克利分校经营。以下是卡特与《美国科学家》杂志副主编凯瑟琳·克拉比（Catherine C. Clabby）对这项技术未来前景的访谈内容。
为了对野生动物的种群数量进行研究，蒙大拿大学位于弗拉特黑德湖的生物观察站的马克·洛朗（Mark Lorang）及其同事需要冰川国家公园附近尼亚克滩区和毗邻斜坡的高分辨率数字高程模型（DEM），当地的茂密针叶林使得许多重要的地形特征难以辨明，然而机载激光雷达的观测数据为他们解决了这一难题
远胜于空中摄影的LIDAR系统
《美国科学家》（以下简称A.S）：机载激光雷达（LiDAR）由哪几部分组成？
威廉·E ·卡特（以下简称W.C）：机载激光雷达的主要组成部分包括可在几亿分之一秒中发射数千次脉冲的激光器、光学扫描仪，包括激光陀螺仪和固态加速计的惯性测量装置以及大地测量全球定位系统接收器，另外还有用于操作控制、数据采集存储以及数据处理的高速电子器件。通过将所有这些先进技术结合在一起，使我们能够通过机载激光雷达对地球表面紧密排列的点阵进行扫描和精确测量。在飞行测量之后再对原始数据资料进行筛选整理，测量到的地面各点的数据资料可形成等距的“裸地球”数字高程模型（DEM），再利用计算机程序将DEM转换为地貌晕渲图、三维透视图、等高线图和表面轮廓图等。
A.S.：为什么LiDAR系统可以“看到”地球表面的各种特征，而摄影技术却做不到呢？
W.C：机载激光雷达通常以每秒70米——90米的速度飞行在几百米的空中进行观测，在激光脉冲往返的4微秒——8微秒时间内，飞机只移动了几毫米的位置，因此从飞机上发射到地面和地面上反射回来的激光脉冲基本上是沿着相同的路径。此外，到达地面上某个点的激光束中的光子数量是来自太阳光子的许多倍，其中光谱过滤器还可过滤掉来自太阳或人造光的大部分影响。而用简单的摄影技术对大地进行的拍摄中，阳光必须通过植被的间隙才能抵达地面上某个特定点，而反射光线也必须通过植被的间隙才能抵达飞机。为了获得某个坐标点的三维图像资料，光线必须找到通过植被的更多间隙。更麻烦的是，由于太阳光线与地球的角度通常远低于60度，这就导致通过植被的路径更长，更降低了光线通过植被间隙的机会。
机载雷达系统（LIDAR）拍摄的弗拉特黑德湖地区的“裸地球”图像：经过对LIDAR探测数据的分析处理，可形成某地区分辨率达一米的"裸地球"数字高程模型。在蒙大拿州，通过这一大地测量技术产生了一幅清晰的山体滑坡遗迹图像。地球表面点的三维坐标图使研究人员能够对一些重要的地形特征进行精确定位，并计算其表面积和体积
A.S：您能举几个新的激光雷达成像应用实例吗？
W.C：每秒发射75 000 次——150 000次脉冲的激光，可产生每平方米6次——12次脉冲的点密度，如今这一技术有可能应用于绘制隐藏在热带雨林中的考古遗址。佛罗里达中心大学的考古学家阿伦·蔡斯（Arlen Chase）和黛安·蔡斯（Diane Chase）在伯利兹的古代玛雅人遗址进行了二十年的研究，他们依靠LiDAR的观测数据发现，玛雅人农田所占比例比人们之前所认为的要多得多。另外，还有许多建筑物遗址隐藏在茂密的热带雨林之下，比人们在地面上所发现的同样也多得多，同时也表明当年居住在这一地区玛雅人的人口比人们所认为的也要多得多，从而提高了人们对玛雅文化在人类发展历史上的重要性的认识。
利用LiDAR在加州北部伊尔河收集到的数据资料，加州理工学院的本·麦基（Ben Mackey）和他在俄勒冈大学的同行发现，22 500年前的一次大滑坡堰塞了河道，形成了一个湖泊，极大地减少了沿河而下进入海洋的侵蚀物质。同时，阻塞河道的堤坝也限制了每年繁殖季节逆流而上的鱼群数量，其结果可能导致了两个鳟鱼品种的混杂，并产生了本地区特有的一个新的鳟鱼品种
需开发更小型及无人机测绘系统
A.S：能谈谈机载激光雷达技术的未来应用前景吗？
W.C：机载激光雷达仍处于其初期发展阶段。过去十年里，机载LiDAR的脉冲率提高了20%——40%，目前正在开发拥有两个或两个以上彩色激光发射器的系统，未来几年里，可望开发出多色机载激光雷达系统，并开辟更多新的探测领域。如确定地面植被的类型和生长状况，确定表层土壤和矿物质的类型，评估土壤所含水分多少，测量和评价一些动物的健康状况，如迁徙中的鲸鱼。
目前，人工驾驶小型飞机上的机载激光雷达，用来对洪水、地震、飓风和漏油等自然灾害和人为灾害做出迅速反应还有一定的困难，需要开发更小、更轻，消耗功率更低的机载激光雷达系统，安装在低空飞行的无人飞行器（无人机）上，针对各种紧急状况作出快速反应和部署。另外，还需要开发能够在商业领空持续飞行几天至数周的无人机测绘系统。在地震灾害发生之后，这种测绘系统在不需要当地提供机场空间、燃料以及地面支持人员的情况下，协助应急反应小组收集地面损害的定量信息。
资料来源 American Scientist
责任编辑 则 鸣