從自動駕(jia)駛到(dao)治(zhi)理霧霾，再到(dao)發掘古跡(ji)，激(ji)光雷(lei)達(da)正在改變人(ren)們的生活。

　　古有(you)老(lao)馬識途，今有(you)自(zi)動駕駛帶路。

　　在科技(ji)浪(lang)潮的裹挾(xie)下，人類正(zheng)加速跨入自(zi)動(dong)駕駛時代。而汽車實(shi)現自(zi)動(dong)駕駛的關鍵技(ji)術(shu)，便(bian)是擁有抗(kang)干擾(rao)性強(qiang)、成像清晰(xi)等優(you)勢的激光雷達技(ji)術(shu)。

　　除了(le)讓自動(dong)駕(jia)駛“看(kan)見”世界外，激光(guang)(guang)(guang)雷達還(huan)可以(yi)給人們(men)帶來更(geng)多驚喜(xi)。例如，激光(guang)(guang)(guang)雷達通過連續探測大氣顆粒物，認識霧霾(mai)發展規律和時空演變，就可以(yi)為霧霾(mai)防治提供(gong)技術支撐。激光(guang)(guang)(guang)雷達還(huan)可以(yi)搜集城市地(di)理信息，發掘歷史遺跡……

　　從自(zi)動駕駛(shi)，到(dao)治理霧霾，激(ji)(ji)光雷(lei)達正(zheng)在(zai)改(gai)變人們的(de)生活。那么(me)，激(ji)(ji)光雷(lei)達的(de)發展現狀(zhuang)是什(shen)么(me)？激(ji)(ji)光雷(lei)達又是如(ru)何讓自(zi)動駕駛(shi)汽車“看見”世(shi)界？激(ji)(ji)光雷(lei)達未來的(de)發展趨(qu)勢又是什(shen)么(me)？國家杰青(qing)、長(chang)江(jiang)學(xue)者特聘教授、武漢大學(xue)教授楊(yang)必勝帶你走進激(ji)(ji)光雷(lei)達的(de)世(shi)界。

　　國內在裝備與應用上落后國外

　　《定位(wei)》：激光雷(lei)達起源是怎樣的？被引入中(zhong)國后，目(mu)前它在中(zhong)國的發展水平如何？與國外有何差(cha)距？

　　楊必勝：激光雷達（LiDAR）是用激光器作為發射光源，采用光電探測技術的主動遙感設備。德國斯圖加特大學在上個世紀80年代將激光雷達與慣性測量單元（IMU）結合，最早開展了機載激光掃描系統的研發。

　　1995年左右機載(zai)激光掃描(miao)系(xi)統開始商業(ye)化，后續(xu)應用(yong)在陸地(di)地(di)形測量、森林資源調查、地(di)學(xue)研究等領域(yu)。20世紀90年代末，中(zhong)(zhong)國科學(xue)院遙感應用(yong)研究所(suo)在“863計劃”項目的支持下研制了(le)機載(zai)激光三維成(cheng)像儀，并開展了(le)相(xiang)關的試驗(yan)。而(er)后，隨(sui)著(zhu)技術(shu)發(fa)展，激光雷達開始應用(yong)在機器(qi)人和(he)無人駕(jia)駛(shi)等領域(yu)，也就此走進(jin)了(le)大眾視(shi)野。目前國內做裝備研制的大多是科研院所(suo)，但也有少(shao)數(shu)民營(ying)企業(ye)參與(yu)其中(zhong)(zhong)，如上(shang)海機光所(suo)、海達數(shu)云(yun)等。

　　目前激光雷達在國(guo)內(nei)的(de)發(fa)展水平與國(guo)外的(de)相比仍(reng)有(you)一定差距。從(cong)裝備上說，國(guo)內(nei)廠(chang)商在激光雷達的(de)核心器件(jian)、環境適(shi)應性、測量距離、精度等方(fang)面(mian)仍(reng)有(you)上升(sheng)空間。從(cong)應用上說，激光雷達在國(guo)內(nei)還未形成大規模示范性應用成果，當(dang)前國(guo)內(nei)應用得最早且(qie)最成熟的(de)是(shi)電(dian)力方(fang)面(mian)，其次是(shi)地(di)形測繪方(fang)面(mian)。

　　《定位》：當前(qian)，激光雷達面臨的挑戰有(you)哪些？我們應(ying)該(gai)如何去應(ying)對這種挑戰？

　　楊必勝：當前激(ji)光(guang)雷達面臨的最大挑戰是(shi)如何利用好(hao)采集(ji)回來的數據。現在無(wu)論是(shi)國外還是(shi)國內(nei)，測量數據后處理的研(yan)究相對滯后，都沒有較為(wei)系統化的處理工(gong)具，在一些(xie)環(huan)節上(shang)還需(xu)大量的人工(gong)干(gan)預進行濾(lv)波、信息提(ti)取等(deng)處理。

　　激(ji)光(guang)雷(lei)達(da)通過(guo)距離、角度(du)測(ce)量數據結合慣性測(ce)量單元(yuan)（IMU）的(de)姿態數據以(yi)及差(cha)分GNSS定位數據獲(huo)取(qu)觀測(ce)對象表面(mian)點(dian)密集三維(wei)坐標，為三維(wei)信息(xi)提取(qu)和(he)三維(wei)場(chang)景(jing)重建等(deng)提供三維(wei)點(dian)云，而目前(qian)卻沒(mei)有好用(yong)的(de)點(dian)云處理工具，這導致用(yong)戶不愿意(yi)用(yong)。

　　而且，針(zhen)對數據處理工具的操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)，對于(yu)二維數據，用戶(hu)(hu)(hu)的交互操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)只需(xu)做簡單的放大、縮(suo)小、選(xuan)取等(deng)動作(zuo)(zuo)即(ji)可；但三維數據，它是可360°自由(you)旋轉，這對以往的用戶(hu)(hu)(hu)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)習慣(guan)造成了很大沖擊(ji)，需(xu)要重新培養(yang)用戶(hu)(hu)(hu)操(cao)(cao)作(zuo)(zuo)習慣(guan)。

　　激(ji)光雷達面臨的另一挑(tiao)戰是(shi)滿(man)足各種不(bu)同需(xu)(xu)求(qiu)。不(bu)同行業的用(yong)(yong)戶(hu)(hu)需(xu)(xu)求(qiu)不(bu)一，比(bi)如做測繪的用(yong)(yong)戶(hu)(hu)要地(di)形圖，做市政(zheng)的用(yong)(yong)戶(hu)(hu)要提取部件(jian)，做道路普查的用(yong)(yong)戶(hu)(hu)關心周圍是(shi)否有東(dong)西損壞……針(zhen)對(dui)不(bu)同的應用(yong)(yong)場景用(yong)(yong)戶(hu)(hu)的需(xu)(xu)求(qiu)，激(ji)光雷達如何能處理好，并挖掘出其中的緊密結合點、需(xu)(xu)求(qiu)點、戰略關系，也是(shi)一大挑(tiao)戰。

　　激光雷達成為自動駕駛的標配

　　《定(ding)位(wei)》：特斯拉CEO馬斯克曾表示，“傻子才用激光(guang)雷(lei)(lei)達(da)，現在誰（做自動駕駛(shi)）還要靠激光(guang)雷(lei)(lei)達(da)，那注定(ding)完(wan)蛋”。您對馬斯克的(de)這番言論(lun)怎么看？

　　楊必勝：我認為這個(ge)觀點是片面(mian)的。

　　馬斯克(ke)如(ru)此斷(duan)定(ding)激(ji)光雷達注定(ding)完蛋，我認為很(hen)大(da)(da)程度(du)(du)上緣于(yu)深(shen)度(du)(du)學習(xi)驅動下(xia)的光學圖像目標識別(bie)技術。經過深(shen)度(du)(du)學習(xi)，進行大(da)(da)量數據訓練，影(ying)像處理(li)變得比以往簡(jian)單，它能實(shi)時跟蹤(zong)一個人、多輛車、多條車道。

　　但(dan)光(guang)(guang)學圖(tu)像目(mu)(mu)標識別技術(shu)有一個天然的限制——環境(jing)適(shi)應性(xing)差。在光(guang)(guang)照(zhao)條(tiao)件較(jiao)差（如夜晚(wan)）和光(guang)(guang)照(zhao)條(tiao)件變(bian)化(hua)劇烈的環境(jing)下(xia)，圖(tu)像目(mu)(mu)標識別也面臨較(jiao)大的挑(tiao)戰。特拉斯(si)自動駕駛主要(yao)用的是(shi)圖(tu)像目(mu)(mu)標識別技術(shu)加毫(hao)米(mi)波雷(lei)達。激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)達目(mu)(mu)標識別技術(shu)需要(yao)判斷點(dian)云(yun)的三維幾何和語義特征，由于點(dian)云(yun)密度(du)差異以及不完整性(xing)和非結構化(hua)，點(dian)云(yun)三維目(mu)(mu)標識別復雜。

　　自動駕(jia)駛(shi)(shi)是在(zai)(zai)三維的環境下發生的，靠激光雷達進行目標(biao)識別更貼(tie)合自動駕(jia)駛(shi)(shi)的需求，駕(jia)駛(shi)(shi)員(yuan)能清(qing)楚知道目標(biao)在(zai)(zai)哪(na)里，行駛(shi)(shi)的方向、距離，甚至包括移動的速度。

　　所以(yi)馬斯(si)克說(shuo)激光(guang)雷達一定會(hui)完蛋，我認為不(bu)能(neng)一概(gai)而論。在短時間內，很難說(shuo)二(er)者(zhe)誰(shui)完全取(qu)代誰(shui)，每(mei)個技術都有其適(shi)用性(xing)，二(er)者(zhe)可以(yi)相輔相成。

　　《定位》：為什么大部分自(zi)動駕駛廠商(shang)把激(ji)光雷達(da)作為研究(jiu)方(fang)向？

　　楊必(bi)勝：這是(shi)因(yin)為激(ji)光雷(lei)(lei)達(da)能對一定(ding)范圍(wei)內的目(mu)標周圍(wei)場景進行(xing)360°快速掃描(miao)，并反(fan)饋數據。激(ji)光雷(lei)(lei)達(da)能讓駕(jia)駛(shi)者知道(dao)車輛的距(ju)離是(shi)多少，路檻有多高(gao)(gao)，前面(mian)是(shi)行(xing)人、圍(wei)欄還(huan)是(shi)靜止的車輛；而且激(ji)光雷(lei)(lei)達(da)采樣頻率(lv)非常高(gao)(gao)，對周圍(wei)空間(jian)采樣非常密集(ji)，非常小的目(mu)標都(dou)能識(shi)別(bie)并采集(ji)，能讓駕(jia)駛(shi)者更清楚周圍(wei)環境。我認為這兩點是(shi)最直接驅動(dong)自動(dong)駕(jia)駛(shi)廠商把激(ji)光雷(lei)(lei)達(da)作為主要傳感(gan)器(qi)的原因(yin)。

　　激光雷達量產還有較長的路要走

　　《定位(wei)》：除了應用于(yu)自(zi)動駕駛，激光(guang)雷達目前(qian)還應用在(zai)哪些領域(yu)？

　　楊必勝：目(mu)前(qian)激光雷達在典型(xing)領域里得到了廣(guang)泛應(ying)用，如深空(kong)探測、地(di)球科學研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)、森(sen)林資源調查、城市形態(tai)分析、電力走廊安全巡檢、海(hai)島(dao)礁(jiao)測繪及文化遺(yi)產數(shu)字化保(bao)護、地(di)形監測、水利監測、地(di)下數(shu)據采集等(deng)。尤其在地(di)球科學研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)中研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)冰(bing)川，目(mu)前(qian)最直接的研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)手(shou)段便是使用激光雷達來精確判斷(duan)冰(bing)川滑動(dong)方向(xiang)上的細(xi)微變化，從而(er)判斷(duan)冰(bing)川容(rong)量變化。

　　我(wo)們生活在(zai)一個(ge)三維(wei)(wei)世界里，需要(yao)(yao)三維(wei)(wei)信息，而激光雷(lei)達(da)能(neng)直(zhi)接(jie)獲取三維(wei)(wei)信息。如做林業(ye)調(diao)查(cha)，以前只(zhi)需知道這(zhe)片土地是(shi)否有(you)樹，有(you)平面圖紙即可(ke)。而現在(zai)，林業(ye)有(you)一學(xue)科叫“森林經理(li)學(xue)”，便是(shi)做林業(ye)的(de)(de)精準(zhun)管控：哪(na)些(xie)地方(fang)(fang)長(chang)什么(me)樹？這(zhe)棵(ke)樹是(shi)什么(me)類(lei)型？它有(you)多高？多粗？樹冠(guan)有(you)多大？它跟周圍樹之間(jian)的(de)(de)密(mi)度(du)(du)是(shi)怎(zen)樣？什么(me)時候可(ke)砍(kan)(kan)(kan)樹？在(zai)哪(na)些(xie)地方(fang)(fang)砍(kan)(kan)(kan)？砍(kan)(kan)(kan)多少？砍(kan)(kan)(kan)完(wan)后密(mi)度(du)(du)怎(zen)樣……這(zhe)些(xie)信息，二維(wei)(wei)數據提供不了，所以林業(ye)需要(yao)(yao)使用激光雷(lei)達(da)，以了解(jie)每(mei)棵(ke)樹的(de)(de)精準(zhun)三維(wei)(wei)垂直(zhi)結構，便能(neng)準(zhun)確計算出(chu)樹木碳儲量。

　　《定位》：目前激光(guang)雷(lei)達(da)設備價(jia)格居(ju)高(gao)不下。請(qing)問(wen)激光(guang)雷(lei)達(da)何時且通過(guo)什么途(tu)徑(jing)，能(neng)使其在成本上變得更具(ju)量(liang)產可行性？

　　楊必勝：我個(ge)(ge)人(ren)認為(wei)，激光(guang)(guang)雷達價格居高(gao)不(bu)下，主要有兩個(ge)(ge)原因：第一(yi)，激光(guang)(guang)雷達的用戶(hu)少；第二，生產(chan)廠商主要關注激光(guang)(guang)雷達性(xing)能而非應用。

　　目前，激光雷達最廣為人(ren)(ren)(ren)知的(de)(de)應(ying)用是自動駕駛，顯然(ran)因其價(jia)格高昂，受眾不(bu)(bu)多(duo)，而(er)(er)它在其他領域的(de)(de)應(ying)用，相(xiang)對專業(ye)和小眾，受眾也不(bu)(bu)多(duo)，比如測(ce)繪領域等。相(xiang)反，關(guan)注圖像目標識別技術的(de)(de)人(ren)(ren)(ren)很多(duo)，從圖像目標識別技術各(ge)種會(hui)議動輒數萬(wan)的(de)(de)參(can)與(yu)人(ren)(ren)(ren)數便(bian)可看出(chu)。而(er)(er)激光雷達的(de)(de)會(hui)議，有上千人(ren)(ren)(ren)參(can)與(yu)就(jiu)已相(xiang)當不(bu)(bu)錯。

　　顯然(ran)，企(qi)業都在(zai)(zai)推(tui)動(dong)圖(tu)像目(mu)(mu)標識(shi)別技(ji)術發展(zhan)，關心(xin)其(qi)應用(yong)。圖(tu)像目(mu)(mu)標識(shi)別技(ji)術所拍照(zhao)片(pian)經過(guo)圖(tu)像處理，能(neng)迅速發揮(hui)不(bu)同作(zuo)用(yong)，體現(xian)各種應用(yong)價(jia)值。而激光(guang)雷達目(mu)(mu)標識(shi)別技(ji)術現(xian)階段處理手段相對落后，處理工具不(bu)完善(shan)，采(cai)集到(dao)的海量數據無法(fa)(fa)發揮(hui)應有的作(zuo)用(yong)，在(zai)(zai)應用(yong)范(fan)圍(wei)上暫時無法(fa)(fa)與圖(tu)像目(mu)(mu)標識(shi)別技(ji)術媲美。

　　激光(guang)雷(lei)達若要(yao)(yao)實現大規模應(ying)用(yong)，我認為需要(yao)(yao)更多(duo)人(ren)(ren)的(de)共同參與(yu)，還有一段較長的(de)路要(yao)(yao)走。就如圖像目標(biao)識別技(ji)術(shu)，在(zai)未有深度(du)學習前，智能相(xiang)機(ji)不(bu)多(duo)，但有了深度(du)學習后，更多(duo)的(de)人(ren)(ren)參與(yu)進(jin)來，圖像處理技(ji)術(shu)迅猛(meng)發展，極大地推動(dong)了圖像目標(biao)識別技(ji)術(shu)的(de)發展。

　　如果參與激光雷(lei)(lei)達(da)(da)目標識別技(ji)術(shu)的(de)人越(yue)來(lai)越(yue)多，更(geng)多的(de)需求會被挖掘、滿(man)足，從而(er)促進該技(ji)術(shu)優(you)化(hua)。而(er)通(tong)過(guo)使用者的(de)口(kou)碑傳播，會吸引到更(geng)多的(de)人來(lai)使用激光雷(lei)(lei)達(da)(da)，這樣一來(lai)價格就會下降，進而(er)促進激光雷(lei)(lei)達(da)(da)技(ji)術(shu)發展，從而(er)形成(cheng)良好閉環。

　　小型化和數據處理便捷化是趨勢

　　《定位》：請展(zhan)望激光雷達的發展(zhan)趨(qu)勢。

　　楊必勝：我個人認為激光雷達未(wei)來有兩(liang)大發(fa)展(zhan)趨勢：小型化(hua)(hua)和數據(ju)處理便捷化(hua)(hua)。

　　目(mu)前(qian)大(da)(da)部分的激(ji)光雷達體型(xing)都不小(xiao)。它因體型(xing)大(da)(da)無法(fa)隱藏在(zai)車身內，只能突兀(wu)的裝置在(zai)車頂，影響了車輛的美觀(guan)。而激(ji)光雷達小(xiao)型(xing)化后更方便(bian)攜帶(dai)及使(shi)用(yong)，更利于用(yong)戶量增長。

　　另外，若激(ji)光雷(lei)達(da)的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)(ju)后(hou)處(chu)理軟件(jian)如圖像(xiang)目標識別技術(shu)的(de)(de)(de)那般普(pu)及，有開源資(zi)源，有大(da)量工(gong)具可(ke)下載使(shi)用，即使(shi)是小白也可(ke)上手嘗試，那自(zi)然可(ke)以吸引更多的(de)(de)(de)人參與并促進其技術(shu)發展。以逆向工(gong)程為例，掃(sao)描得到精細(xi)三維后(hou)，若其結構、尺寸、大(da)小等數(shu)據(ju)(ju)(ju)能(neng)自(zi)動輸出(chu)，定(ding)能(neng)令人驚(jing)訝。同時，人類傾向于看(kan)到真實、形象的(de)(de)(de)事物，如激(ji)光雷(lei)達(da)能(neng)精確復原，也非(fei)常吸引人。所以激(ji)光雷(lei)達(da)的(de)(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)(ju)后(hou)處(chu)理工(gong)具還有很大(da)提(ti)升空(kong)間，數(shu)據(ju)(ju)(ju)處(chu)理便(bian)捷化是其一大(da)趨勢。

　　【人物名片】

　　楊(yang)必(bi)勝，武漢大學(xue)測繪遙感信(xin)息(xi)工(gong)程國家重點(dian)實驗室教(jiao)授，博(bo)士生導師，教(jiao)育(yu)部長江(jiang)學(xue)者(zhe)(zhe)特聘教(jiao)授，國家杰出青年基金獲(huo)得者(zhe)(zhe)，第(di)四批萬人計劃(hua)科技領軍人才。擔任(ren)(ren)時空數據(ju)智能獲(huo)取技術與應用教(jiao)育(yu)部工(gong)程中心主任(ren)(ren)。作為第(di)一完成人曾(ceng)獲(huo)湖(hu)北(bei)省科技進步一等獎和教(jiao)育(yu)部自(zi)然科學(xue)一等獎。主要從事無人機三(san)維(wei)測量、激(ji)光掃描(miao)、三(san)維(wei)地理信(xin)息(xi)獲(huo)取與應用方面的(de)研究。

　　由于長期從事三維地理(li)信息獲取(qu)與(yu)分(fen)析方(fang)面的(de)理(li)論與(yu)方(fang)法(fa)研(yan)究，楊(yang)必勝創新性(xing)提出(chu)了“廣義(yi)點云”的(de)科學概念，被(bei)國際攝(she)影測量與(yu)遙感(gan)學會遴選為2016年-2020年的(de)重要研(yan)究主(zhu)題之一。