从古至今，人类从未停止过探索未知世界的脚步，认知世界的能力和手段与日俱增。中科院之声与中国科学院空天信息创新研究院联合开设“观天测地”专栏，为大家介绍天上地上探索的那些事儿，带来空天信息领域最新进展，普及科学知识。
点是描述地理空间的最小单元，世间万物都可以通过一系列具有三维坐标和属性的点来刻画，形成我们肉眼所见的世界。二维的点集可以形成图像和照片，三维的点集则可以逼真地还原我们所处的三维空间，形成数字城市、数字地球等，产生让人们犹如置身其中的沉浸式体验。
这些点是怎么获取、又是怎样具有时空信息的呢？这就离不开为我们精准感知世界提供“慧眼”的激光雷达。那么，什么是激光雷达，它是如何工作来获取万物之点呢？
激光雷达，英文为Light Detection And Ranging，简称LiDAR，即光探测与测距。光探测首先需要一个激光源，即激光器发射高频率激光脉冲到被测物的表面；其次是接收系统，即接收物体表面反射的激光脉冲并对回波进行处理，一般由望远镜和各种光电探测器组成，通过测量激光发射到接收经过的时间，结合光速即可计算出被测物体相对于探测器的距离。
激光雷达怎么获取点的空间位置及几何信息呢？
这就需要全球卫星导航定位系统（GNSS）来提供地球表面或近地空间任何地点的三维坐标和时间信息，如我国的北斗卫星导航系统（BDS）、美国的GPS等，以及监测搭载激光雷达系统平台姿态的惯性测量系统（Inertial Measurement Unit，简称IMU）。
GNSS和IMU集成为导航定位定向系统（Position and Orientation System, POS），提供激光雷达系统的空间位置和姿态信息。可见，激光雷达集激光器系统、全球定位系统和惯性导航系统于一身，是当前直接快速获取探测目标空间位置及其几何信息的最有效手段之一。
激光雷达种类很多，按照不同分类方法介绍如下：（1）按照搭载平台可分为星载、机载和地基激光雷达。
其中星载激光雷达主要以卫星、航天飞机、空间站等为平台，观测范围和应用尺度广，多用于科学研究，如美国的ICESat、ICESat-2和我国陆地生态系统碳卫星“句芒号”；机载主要以固定翼飞机、直升机、无人机等为平台，适合长距离线状地物三维信息获取；地基包括三脚架、车载、背包、手持以及船载等，特点是获取数据全面、方式灵活。（2）按照测距模式可分为脉冲式和相位式激光雷达。
前者利用激光脉冲在发射和接收信号之间往返传播的时间差进行测量，直接、测量距离长。相位式是一种间接方式，利用电波频率对激光波束进行幅度调制，测定调制光往返观测目标一次所产生的相位延迟，根据波长计算该延迟所代表的距离，测距相对较短，但脉冲频率和获取的点精度更高。
激光雷达的应用非常广泛，如基础测绘、林业调查、无人驾驶、室内建模、数字城市、电力巡检、交通选线、文化遗产保护等，在极地冰盖、海洋、陆地，大气层、月球、火星表面测绘中，都有激光雷达的身影。
未来的激光雷达可从激光雷达硬件系统、数据处理和应用方面来分析。当前商业化激光雷达系统研制已进入爆发期，各种性能的激光雷达呈百花齐放的态势。
总体来说，激光雷达系统趋向于高性能、低成本、轻小型化，具有更高的测距精度、更大的扫描范围、更快的扫描频率、更窄的光束发散角和更远的测量距离。苹果公司推出的自带激光扫描头的手机等，使激光雷达进入消费级市场。同时，高光谱/多光谱激光雷达的出现弥补了单波长（近红外的1064nm、1550nm等）或者双波长（1064nm和532nm）激光雷达系统获取信息单一、缺乏光谱信息等不足，成为未来发展方向。
高光谱/多光谱激光雷达可获取不同波段下的激光雷达回波，不仅具备空间三维信息获取能力，并且同时具备地物光谱信息获取能力，逐渐成为植被结构和生化参数反演的最佳手段。另外，随着量子信息技术的发展，量子激光雷达具有更强的抗干扰性、更高的灵敏度和距离与角度分辨率。
在数据处理方面，多平台（星机地）、多模态（点云、波形、光子）激光雷达系统为多行业应用提供了多源、海量三维数据，这些数据各具特点、优势互补，实际应用中多源数据精准配准和定量应用一直是难点，亟待发展先进的人工智能、深度学习等方法，为激光雷达大数据的处理和应用提供支持。