激光雷达基础-光探测和测距-遥感

激光雷达基础-光探测和测距-遥感

激光雷达或光探测和测距是一个活跃的遥感系统，可以用来测量广泛地区的植被高度。本文将介绍激光雷达（或激光雷达）的基本概念，包括：             

什么是激光雷达数据。             

激光雷达数据的关键属性。             

如何使用激光雷达数据测量树木。             

激光雷达的历史。

Key Concepts

Why LiDAR

科学家通常需要描述大区域的植被特征，以回答生态系统或区域尺度上的研究问题。因此，需要能够估计大面积关键特征的工具，因为没有足够的资源来测量每一棵树或灌木。

传统的，实地测量树木的方法是资源密集型的，限制了可以描述的植被数量！

遥感意味着实际上并不是用手来测量物体。使用传感器捕捉有关景观的信息，并记录可以用来估计条件和特征的东西。为了测量大面积的植被或其他数据，需要能够使用自动化传感器快速进行多目标测量的遥感方法。

国家生态观测网的机载观测平台（NEON-AOP）在Soaproot Saddle站点收集的激光雷达数据。

激光雷达或光探测测距（有时也称为主动激光扫描）是一种遥感方法，可用于绘制包括植被高度、密度和其他特征在内的整个区域的结构图。激光雷达直接测量地面上植被的高度和密度，使其成为科学家研究大面积植被的理想工具。

How LiDAR Works

How Does LiDAR Work?

激光雷达是一种主动式遥感系统。一个主动系统意味着系统本身产生能量——在这种情况下，是光——来测量地面上的东西。在激光雷达系统中，光是由快速发射的激光发射的。可以想象从激光光源发出的光很快地划过。这种光传播到地面，反射到建筑物和树枝等物体上。反射的光能随后返回到激光雷达传感器，在那里进行记录。             

激光雷达系统测量发射光到达地面和返回所需的时间。这个时间用来计算行驶的距离。然后将行驶距离转换为高度。这些测量是使用激光雷达系统的关键部件进行的，包括识别光能X、Y、Z位置的GPS和提供空中飞机方位的惯导测量单元（IMU）。

How Light Energy Is Used to Measure Trees

光能是光子的集合。当构成光的光子向地面移动时，会击中树上的树枝等物体。一些光从这些物体反射回来，然后返回到传感器。如果物体很小，并且周围有间隙可以让光线通过，那么一些光线会继续向下照射到地面。因为一些光子会从树枝等物体上反射，而另一些光子则会继续朝地面反射，因此一个光脉冲可能会记录到多次反射。

返回到传感器的能量分布产生了所称的波形。返回到激光雷达传感器的能量量称为“强度”。更多光子或更多光能返回传感器的区域在能量分布上形成峰值。波形中的这些峰值通常表示地面上的物体，例如树枝、树叶或建筑物。

How Scientists Use LiDAR Data

There are many different uses for LiDAR data.

• LiDAR data classically have been used to derive high resolution elevation data

LiDAR data have historically been used to generate high resolution elevation datasets. Source: National Ecological Observatory Network .

• LiDAR data have also been used to derive information about vegetation structure including
• Canopy Height
• Canopy Cover
• Leaf Area Index
• Vertical Forest Structure
• Species identification (if a less dense forests with high point density LiDAR)

Cross section showing LiDAR point cloud data superimposed on the corresponding landscape profile.

Discrete vs. Full Waveform LiDAR

光能的波形或分布是返回到激光雷达传感器的。这种返回可以用两种不同的方式记录。             

离散回波激光雷达系统记录波形曲线中峰值的个别（离散）点。离散回波激光雷达系统识别峰值，并在波形曲线的每个峰值位置记录一个点。这些离散或单独的点称为回报。一个离散系统可以记录每一个激光脉冲的1-4个（有时甚至更多）回波。             

全波形激光雷达系统记录返回光能量的分布。全波形激光雷达数据的处理更为复杂，但与离散回波激光雷达系统相比，通常可以捕获更多的信息。

LiDAR File Formats

无论是作为离散点还是全波形采集，激光雷达数据通常是以离散点的形式提供的。离散返回激光雷达点的集合称为激光雷达点云。             

存储激光雷达点云数据的常用文件格式称为.las，它是由美国摄影测量和遥感学会（ASPRS）支持的格式。最近，LasTools的Martin Isenberg开发了.laz格式。不同之处在于.laz是.las的高度压缩版本。             

从激光雷达点云数据衍生的数据产品通常是光栅文件，可能是GeoTIFF（.tif）格式。

LiDAR Data Attributes: X, Y, Z, Intensity and Classification

激光雷达数据属性可能会有所不同，这取决于数据的收集和处理方式。查看元数据，可以确定每个激光雷达点的可用属性。所有激光雷达数据点都将具有相关的X、Y位置和Z（高度）值。大多数激光雷达数据点都有一个强度值，表示传感器记录的光能量。             

一些激光雷达数据也将被“分类”——不是顶级机密，只是有关于数据是什么的规范。激光雷达点云的分类是一个额外的处理步骤。分类只是简单地表示了激光反射回来的物体的类型。如果一棵树反射出的光能，可能被归为“植被”。如果它反射到地面上，它可能被归类为“地面”。             

一些激光雷达产品将被分类为“地面/非地面”。一些数据集将被进一步处理，以确定哪些点反映在建筑物和其他基础设施上。一些激光雷达数据将根据植被类型进行分类。

Exploring 3D LiDAR data in a free Online Viewer

关于使用平面图在线观察：Plas.io：免费在线数据Viz，用于浏览激光雷达数据。这个Plas.io观察中使用的查看器是由Las工具公司的Martin Isenberg及其同事开发的。             

总结             

激光雷达系统使用激光、GPS和IMU来估计地面上物体的高度。             

离散激光雷达数据由波形生成——每个点代表沿返回能量的峰值能量点。             

离散激光雷达点包含x、y和z值。z值是用于生成高度的值。             

激光雷达数据可以用来估计树高，甚至冠层覆盖，使用各种方法。