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！
遙感意味着實際上並不是用手來測量物體。使用傳感器捕捉有關景觀的信息，並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台（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，可用於繪制包括植被高度、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。一個主動系統意味着系統本身產生能量——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划過。這種光傳播到地面，反射到建築物和樹枝等物體上。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，並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、樹葉或建築物。
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，並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雲。
存儲激光雷達點雲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。不同之處在於.laz是.las的高度壓縮版本。
從激光雷達點雲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，這取決於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，只是有關於數據是什么的規范。激光雷達點雲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築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
關於使用平面圖在線觀察：Plas.io：免費在線數據Viz，用於瀏覽激光雷達數據。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值是用於生成高度的值。
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。