我们经常听说遥感卫星、遥感信号之类的报道，其实遥感的工作原理究竟是什么呢？
我们利用激光来测量，如地面、森林、甚至是建筑物的海拔高度，这和声纳用声波或雷达用无线电波来定位物体的原理很相似。但是激光雷达系统使用的是激光，咱印象中激光不是应该用来扫描条形码，让你喜欢的乐队演唱会看起来狂拽酷炫的吗？那激光雷达怎么用激光测量东西？
收集激光雷达数据有几种不同的方法：从地面上、飞机上、甚至从太空，机载激光雷达数据是最常用的数据，而且机载激光雷达数据可从美国国家生态观测网（NEON）免费获取，因此，我将着重介绍这一点。
为了理解机载激光雷达如何使用激光来计算高度，我们要了解该系统的四个部分：
首先，飞机包含激光雷达单元装置，飞行时从一边到另一边用激光扫描地面，顺便跟屏幕前的遥感极客们讲一下，激光系统使用绿色或近红外光，因为植被会强烈反射这些波长或类型的光。
激光雷达系统的下一个组件是GPS，它能跟踪飞机的高度和坐标，GPS使我们能够找出激光雷达系统在地面上反射的位置。
激光雷达系统的第三部分被称作惯性测量单元或IMU，IMU跟踪飞机飞行时的倾斜程度，这对于准确的高程计算很重要。
最后激光系统还包含一台计算机，计算机记录激光雷达扫描地表时收集的所有重要高度信息，没有计算机就没有数据。
现在你可能想知道激光、GPS和IMU和计算机是如何协调工作，帮助我们获取这些超有用的激光雷达数据的呢？当激光雷达系统中的激光扫描地面，主动向地面发射光能。在我们更进一步了解之前，我们先来认识两个与释放光能相关的重要激光雷达术语，这样我们才方便讨论激光雷达那些东西。首先我们来定义“脉冲”这一词，脉冲仅仅指系统释放光能的过程，光能经过反射重新被系统接收。接下来我们来定义“回程”这个词，回程是指激光雷达传感器记录下来的被反射的脉冲激光，因此脉冲激光传播到地面，然后再回到激光雷达传感器，这才叫激光雷达。
脉冲、回程这种术语还挺好用，但光讲术语并不能帮我们计算高度。为了计算高度，雷达系统要记录脉冲激光传播到地面再返回的时间，然后系统用光速来计算地面顶部与飞机之间的距离。我们来把这个距离计算分解一下，将传播时间乘以光速再除以2，因为光线传播到地面后又原路返回，这样就算出光线传播到地面所走的距离。通过这个计算我们得到飞机和地面的距离，但事情还没结束，我们如何计算地面确切的海拔高度呢？要计算地面海拔高度，我们用GPS计算的飞机高度减去光传播到地面的距离。
以上就是激光雷达系统用激光测量高度的基本原理。现在我们已掌握了它的基本原理，使用该系统计算高度时必须考虑两点：第一，飞机飞行时会有点颠簸，因为有气流扰动，这种颠簸由惯性测量单元（IMU）记录，所以在回程计算高度时，飞机颠簸的影响也能计算在内。另外还有一种机载系统能左右扫描地面，这样在飞行时能覆盖地面上更大的区域，一些光脉冲从飞机到地面垂直传播或直接到最低点，如果用激光雷达术语来表示，即大多数脉冲从一个角度或偏离最低点释出，因此系统计算海拔时还需要考虑脉冲角度。
最后我们来总结一下，激光雷达系统用激光向地面发出光能脉冲，然后它记录脉冲到达地面并返回传感器所用的时间，然后利用光速和时间算出距离，然后系统利用飞机的高度、倾斜度和脉冲的角度来计算海拔。它还用GPS接收器计算地面物体的位置，所有这些信息都记录在安装在飞机上的便捷电脑里，激光雷达系统就是这么运作的。
激光雷达系统还有一个组件，让该系统十分有用。光脉冲不仅会从一个物体上反射，比如从一棵树顶反射产生回程。有时激光雷达脉冲会穿过物体，比如穿过树枝和树叶间的缝隙，想象一下，你站在树林里，看着阳光穿过树顶洒下来，树叶和树枝像在发光，因此穿过树顶的光能在树顶下的树枝和树叶上反射，激光雷达系统从树顶穿过直达地面，同时记录信息，是该系统的独特之处。这对研究树木的科学家们很有用，这些在树顶下产生的回程可以反映树林的内部情况或树林的结构。比如，它们可以反映树木的形状或树上叶子的密度，有时甚至可以用来推断树下面的地面有没有灌木。
现在你知道激光雷达系统大概怎么运作了吧？
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