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LiDAR代表光线探测与测距（Light Detection and Range）或激光成像检测与测距，是一种先进的遥感技术，能够生成环境或物体的精确三维模型。得益于其高精度收集三维数据的能力，它能够准确绘制我们周围的世界地图。激光雷达广泛应用于考古学、建筑学和工程学等多个领域，结合3D打印解决方案时也极具价值。其速度和可靠性也使其成为自动驾驶汽车发展的关键工具。
这项技术于20世纪60年代开发，用于绘制大面积陆地地图，随着GPS和惯性导航系统（INS）系统的整合，经历了显著的发展。如今，它可以嵌入到3D扫描仪和3D打印机中，以提升性能。
一个由激光雷达数据生成的3D模型（图片来源：ResearchGate – Kenji Omasa）
激光雷达是一种遥感技术，利用激光脉冲测量不同物体和表面之间的距离，以重建三维模型。该系统主要由激光扫描仪、激光雷达传感器和负责数据解读的处理器组成。激光雷达利用特定波长发射的激光束，每秒向待分析表面发送数百万光脉冲。这些脉冲一旦被反射，传感器会捕获并转换为点。所有这些点形成了所谓的点云，代表扫描过程中收集的所有信息。处理器随后通过测量飞行时间（ToF）来处理这些数据，即每次脉冲到达物体并返回传感器所需的时间。利用这些时间数据以及激光器的水平和垂直发射角，系统计算每个点的三维坐标（XYZ）。得益于这些点的密度和精度，可以获得被扫描环境或物体的高度详细三维表示。
激光雷达和摄影测量有相同的目标，即对物体或地点进行探测和三维测绘，但它们的工作原理不同。摄影测量是一种技术，允许利用从不同角度拍摄的二维照片创建三维模型。它从图像中提取二维数据，并将其转换为三维数字模型。而激光雷达则使用激光束绘制环境或物体，生成点云，随后用于构建三维模型。从这个意义上说，激光雷达更类似于结构化光3D扫描仪，而非摄影测量技术。
摄影测量利用相机和自然光进行测量。虽然能提供非常详细的结果，但数据的准确性很大程度上取决于拍摄时的光线条件。例如，反光或透明表面可能存在问题。此外，摄影测量创建的3D模型质量会因图像分辨率和拍摄时使用的视点数量而有所不同。
图片展示了摄影测量的工作原理。（图片来源：Microgeo）
激光雷达以其高精度著称，尤其是在测量复杂表面时，即使在光线和能见度低的情况下也能如此。相反，摄影测量更适合检测光线充足的物体或环境，而激光雷达则擅长绘制详细领土地图。
从成本角度看，摄影测量比激光雷达便宜，因为它使用标准相机。然而，这种成本效益也伴随着3D模型，通常需要额外的后期处理，因为它们并不总是高度准确。由激光雷达生成的更精确的3D模型几乎不需要后处理调整。
总之，摄影测量是一种更简单且更经济的方法，但精度较低，而激光雷达（LiDAR）则提供高精度，但成本更高且缺乏视觉输入。激光雷达的替代方案可能是传统三维扫描，这种方式更经济且细节丰富，尽管这些系统通常速度较慢，且不适合覆盖大面积区域，相较于激光雷达技术。
激光雷达扫描仪主要分为两大类：地面激光扫描仪（TLS），用于地面;以及机载激光扫描仪（ALS），安装在飞机上。TLS可以是静态的，也可以是移动的。静态扫描仪安装在固定支架上，如三脚架或固定结构，可用于对建筑物、纪念碑或遗址进行高精度测量。移动扫描仪，称为MLS，安装在车辆上，如机器，特别适合大规模、动态扫描，如城市街道的扫描。在某些自主设备中，如机器人吸尘器，激光雷达系统安装在旋转盘上，使激光器能够进行360°扫描。机载激光雷达扫描仪（ALS）安装在飞行器上，如飞机，测量从飞机发射的激光脉冲飞行时间，从而计算地面与传感器之间的距离。这些扫描仪也可以安装在配备有测绘和导航系统的无人机上。
激光雷达被广泛应用于各种类型的扫描仪，并在许多领域有应用。它经常用于机器人吸尘器，用于绘制家中房间的地图，检测哪些房间已经清洁过，哪些还需要清理。在自动驾驶车辆中，它确保了驾驶的精准性和安全性。在iPhone上，激光雷达提升了相机的聚焦，使增强现实应用更加真实。它也被用于谷歌车辆中绘制大面积地形地图，提供谷歌地球的数据。得益于iPhone和iPad中集成的激光雷达传感器，Polycam等软件允许用户快速且准确地捕捉环境、房间和楼层，细节丰富。
ALS、TLS和MLS之间的检测差异。（图片来源：MDPI）
目前，大多数3D打印机并未标配内置激光雷达传感器，但已有多个解决方案和实验项目试图将其整合进打印流程。例如，中国制造商Creality最近推出了K1 MAX，这是一款配备激光雷达扫描仪的3D打印机，用于检测印刷版上的异常。该系统不仅允许监控第一层打印，还能监控后续层次，确保模型创建的最佳质量。Bambu Lab 使用其 Bambu Lab X1 系列的 LiDAR 系统来调节打印机的压力和流量。然而，如果现有解决方案无法满足特定需求，激光雷达传感器可以集成到定制项目或混合解决方案中，尤其是在工业领域。价格方面，这些方案起价为700欧元，类似Creality打印机，最高可超过1000欧元，如Bambu Lab X1。
在扫描仪方面，市面上有多种使用激光雷达技术的设备。例如，可用于室内和室外测绘的LiDAR 3D FJD Trion P1，或能够扫描最大130米范围内大面积区域和物体的Artec Ray II。这些扫描仪可以在亚马逊等零售平台购买，也可以直接从制造商官网购买。价格因应用而异：基础传感器约为45美元，而专业解决方案如Artec Ray II可能超过10万美元。
将激光雷达集成到3D打印中的优势与挑战
激光雷达的主要优势之一是其精度。此外，LiDAR在数据收集过程中提供的反馈是实时的，这使得生产能够调整和工作流程，从而有助于提升最终打印质量。
然而，该技术的主要缺点与其成本有关，尤其是对于专业解决方案来说，成本可能较高。此外，由于点云中数据密度较高，将其集成到3D打印的CAD软件中可能需要大量处理。尽管LiDAR传感器集成到iPhone和iPad等移动设备中，但其性能通常不如专用系统如TLS或移动激光雷达。
封面照片 Credtit：美国海洋
