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LiDAR代表光線探測與測距（Light Detection and Range）或激光成像檢測與測距，是一種先進的遙感技術，能夠生成環境或物體的精確三維模型。得益于其高精度收集三維數據的能力，它能夠準確繪制我們周圍的世界地圖。激光雷達廣泛應用于考古學、建筑學和工程學等多個領域，結合3D打印解決方案時也極具價值。其速度和可靠性也使其成為自動駕駛汽車發展的關鍵工具。
這項技術于20世紀60年代開發，用于繪制大面積陸地地圖，隨著GPS和慣性導航系統（INS）系統的整合，經歷了顯著的發展。如今，它可以嵌入到3D掃描儀和3D打印機中，以提升性能。
一個由激光雷達數據生成的3D模型（圖片來源：ResearchGate – Kenji Omasa）
激光雷達是一種遙感技術，利用激光脈沖測量不同物體和表面之間的距離，以重建三維模型。該系統主要由激光掃描儀、激光雷達傳感器和負責數據解讀的處理器組成。激光雷達利用特定波長發射的激光束，每秒向待分析表面發送數百萬光脈沖。這些脈沖一旦被反射，傳感器會捕獲并轉換為點。所有這些點形成了所謂的點云，代表掃描過程中收集的所有信息。處理器隨后通過測量飛行時間（ToF）來處理這些數據，即每次脈沖到達物體并返回傳感器所需的時間。利用這些時間數據以及激光器的水平和垂直發射角，系統計算每個點的三維坐標（XYZ）。得益于這些點的密度和精度，可以獲得被掃描環境或物體的高度詳細三維表示。
激光雷達和攝影測量有相同的目標，即對物體或地點進行探測和三維測繪，但它們的工作原理不同。攝影測量是一種技術，允許利用從不同角度拍攝的二維照片創建三維模型。它從圖像中提取二維數據，并將其轉換為三維數字模型。而激光雷達則使用激光束繪制環境或物體，生成點云，隨后用于構建三維模型。從這個意義上說，激光雷達更類似于結構化光3D掃描儀，而非攝影測量技術。
攝影測量利用相機和自然光進行測量。雖然能提供非常詳細的結果，但數據的準確性很大程度上取決于拍攝時的光線條件。例如，反光或透明表面可能存在問題。此外，攝影測量創建的3D模型質量會因圖像分辨率和拍攝時使用的視點數量而有所不同。
圖片展示了攝影測量的工作原理。（圖片來源：Microgeo）
激光雷達以其高精度著稱，尤其是在測量復雜表面時，即使在光線和能見度低的情況下也能如此。相反，攝影測量更適合檢測光線充足的物體或環境，而激光雷達則擅長繪制詳細領土地圖。
從成本角度看，攝影測量比激光雷達便宜，因為它使用標準相機。然而，這種成本效益也伴隨著3D模型，通常需要額外的后期處理，因為它們并不總是高度準確。由激光雷達生成的更精確的3D模型幾乎不需要后處理調整。
總之，攝影測量是一種更簡單且更經濟的方法，但精度較低，而激光雷達（LiDAR）則提供高精度，但成本更高且缺乏視覺輸入。激光雷達的替代方案可能是傳統三維掃描，這種方式更經濟且細節豐富，盡管這些系統通常速度較慢，且不適合覆蓋大面積區域，相較于激光雷達技術。
激光雷達掃描儀主要分為兩大類：地面激光掃描儀（TLS），用于地面;以及機載激光掃描儀（ALS），安裝在飛機上。TLS可以是靜態的，也可以是移動的。靜態掃描儀安裝在固定支架上，如三腳架或固定結構，可用于對建筑物、紀念碑或遺址進行高精度測量。移動掃描儀，稱為MLS，安裝在車輛上，如機器，特別適合大規模、動態掃描，如城市街道的掃描。在某些自主設備中，如機器人吸塵器，激光雷達系統安裝在旋轉盤上，使激光器能夠進行360°掃描。機載激光雷達掃描儀（ALS）安裝在飛行器上，如飛機，測量從飛機發射的激光脈沖飛行時間，從而計算地面與傳感器之間的距離。這些掃描儀也可以安裝在配備有測繪和導航系統的無人機上。
激光雷達被廣泛應用于各種類型的掃描儀，并在許多領域有應用。它經常用于機器人吸塵器，用于繪制家中房間的地圖，檢測哪些房間已經清潔過，哪些還需要清理。在自動駕駛車輛中，它確保了駕駛的精準性和安全性。在iPhone上，激光雷達提升了相機的聚焦，使增強現實應用更加真實。它也被用于谷歌車輛中繪制大面積地形地圖，提供谷歌地球的數據。得益于iPhone和iPad中集成的激光雷達傳感器，Polycam等軟件允許用戶快速且準確地捕捉環境、房間和樓層，細節豐富。
ALS、TLS和MLS之間的檢測差異。（圖片來源：MDPI）
目前，大多數3D打印機并未標配內置激光雷達傳感器，但已有多個解決方案和實驗項目試圖將其整合進打印流程。例如，中國制造商Creality最近推出了K1 MAX，這是一款配備激光雷達掃描儀的3D打印機，用于檢測印刷版上的異常。該系統不僅允許監控第一層打印，還能監控后續層次，確保模型創建的最佳質量。Bambu Lab 使用其 Bambu Lab X1 系列的 LiDAR 系統來調節打印機的壓力和流量。然而，如果現有解決方案無法滿足特定需求，激光雷達傳感器可以集成到定制項目或混合解決方案中，尤其是在工業領域。價格方面，這些方案起價為700歐元，類似Creality打印機，最高可超過1000歐元，如Bambu Lab X1。
在掃描儀方面，市面上有多種使用激光雷達技術的設備。例如，可用于室內和室外測繪的LiDAR 3D FJD Trion P1，或能夠掃描最大130米范圍內大面積區域和物體的Artec Ray II。這些掃描儀可以在亞馬遜等零售平臺購買，也可以直接從制造商官網購買。價格因應用而異：基礎傳感器約為45美元，而專業解決方案如Artec Ray II可能超過10萬美元。
將激光雷達集成到3D打印中的優勢與挑戰
激光雷達的主要優勢之一是其精度。此外，LiDAR在數據收集過程中提供的反饋是實時的，這使得生產能夠調整和工作流程，從而有助于提升最終打印質量。
然而，該技術的主要缺點與其成本有關，尤其是對于專業解決方案來說，成本可能較高。此外，由于點云中數據密度較高，將其集成到3D打印的CAD軟件中可能需要大量處理。盡管LiDAR傳感器集成到iPhone和iPad等移動設備中，但其性能通常不如專用系統如TLS或移動激光雷達。
封面照片 Credtit：美國海洋
