激光雷達基礎-光探測和測距-遙感

激光雷達或光探測和測距是一個活躍的遙感系統，可以用來測量廣泛地區的植被高度。本文將介紹激光雷達（或激光雷達）的基本概念，包括：

什么是激光雷達數據。

激光雷達數據的關鍵屬性。

如何使用激光雷達數據測量樹木。

激光雷達的歷史。

Key Concepts

Why LiDAR

科學家通常需要描述大區域的植被特征，以回答生態系統或區域尺度上的研究問題。因此，需要能夠估計大面積關鍵特征的工具，因為沒有足夠的資源來測量每一棵樹或灌木。

傳統的，實地測量樹木的方法是資源密集型的，限制了可以描述的植被數量！

遙感意味著實際上并不是用手來測量物體。使用傳感器捕捉有關景觀的信息，并記錄可以用來估計條件和特征的東西。為了測量大面積的植被或其他數據，需要能夠使用自動化傳感器快速進行多目標測量的遙感方法。

國家生態觀測網的機載觀測平臺（NEON-AOP）在Soaproot Saddle站點收集的激光雷達數據。

激光雷達或光探測測距（有時也稱為主動激光掃描）是一種遙感方法，可用于繪制包括植被高度、密度和其他特征在內的整個區域的結構圖。激光雷達直接測量地面上植被的高度和密度，使其成為科學家研究大面積植被的理想工具。

How LiDAR Works

How Does LiDAR
Work?

激光雷達是一種主動式遙感系統。一個主動系統意味著系統本身產生能量——在這種情況下，是光——來測量地面上的東西。在激光雷達系統中，光是由快速發射的激光發射的。可以想象從激光光源發出的光很快地劃過。這種光傳播到地面，反射到建筑物和樹枝等物體上。反射的光能隨后返回到激光雷達傳感器，在那里進行記錄。

激光雷達系統測量發射光到達地面和返回所需的時間。這個時間用來計算行駛的距離。然后將行駛距離轉換為高度。這些測量是使用激光雷達系統的關鍵部件進行的，包括識別光能X、Y、Z位置的GPS和提供空中飛機方位的慣導測量單元（IMU）。

How Light Energy Is Used to Measure Trees

光能是光子的集合。當構成光的光子向地面移動時，會擊中樹上的樹枝等物體。一些光從這些物體反射回來，然后返回到傳感器。如果物體很小，并且周圍有間隙可以讓光線通過，那么一些光線會繼續向下照射到地面。因為一些光子會從樹枝等物體上反射，而另一些光子則會繼續朝地面反射，因此一個光脈沖可能會記錄到多次反射。

返回到傳感器的能量分布產生了所稱的波形。返回到激光雷達傳感器的能量量稱為“強度”。更多光子或更多光能返回傳感器的區域在能量分布上形成峰值。波形中的這些峰值通常表示地面上的物體，例如樹枝、樹葉或建筑物。

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達傳感器的。這種返回可以用兩種不同的方式記錄。
離散回波激光雷達系統記錄波形曲線中峰值的個別（離散）點。離散回波激光雷達系統識別峰值，并在波形曲線的每個峰值位置記錄一個點。這些離散或單獨的點稱為回報。一個離散系統可以記錄每一個激光脈沖的1-4個（有時甚至更多）回波。

全波形激光雷達系統記錄返回光能量的分布。全波形激光雷達數據的處理更為復雜，但與離散回波激光雷達系統相比，通常可以捕獲更多的信息。

LiDAR File Formats

無論是作為離散點還是全波形采集，激光雷達數據通常是以離散點的形式提供的。離散返回激光雷達點的集合稱為激光雷達點云。

存儲激光雷達點云數據的常用文件格式稱為.las，它是由美國攝影測量和遙感學會（ASPRS）支持的格式。最近，LasTools的Martin Isenberg開發了.laz格式。不同之處在于.laz是.las的高度壓縮版本。

從激光雷達點云數據衍生的數據產品通常是光柵文件，可能是GeoTIFF（.tif）格式。

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

激光雷達數據屬性可能會有所不同，這取決于數據的收集和處理方式。查看元數據，可以確定每個激光雷達點的可用屬性。所有激光雷達數據點都將具有相關的X、Y位置和Z（高度）值。大多數激光雷達數據點都有一個強度值，表示傳感器記錄的光能量。

一些激光雷達數據也將被“分類”——不是頂級機密，只是有關于數據是什么的規范。激光雷達點云的分類是一個額外的處理步驟。分類只是簡單地表示了激光反射回來的物體的類型。如果一棵樹反射出的光能，可能被歸為“植被”。如果它反射到地面上，它可能被歸類為“地面”。

一些激光雷達產品將被分類為“地面/非地面”。一些數據集將被進一步處理，以確定哪些點反映在建筑物和其他基礎設施上。一些激光雷達數據將根據植被類型進行分類。

Exploring 3D LiDAR data in a free Online Viewer

關于使用平面圖在線觀察：Plas.io：免費在線數據Viz，用于瀏覽激光雷達數據。這個Plas.io觀察中使用的查看器是由Las工具公司的Martin Isenberg及其同事開發的。
總結

激光雷達系統使用激光、GPS和IMU來估計地面上物體的高度。

離散激光雷達數據由波形生成——每個點代表沿返回能量的峰值能量點。

離散激光雷達點包含x、y和z值。z值是用于生成高度的值。

激光雷達數據可以用來估計樹高，甚至冠層覆蓋，使用各種方法。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的激光雷达基础-光探测和测距-遥感的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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