激光雷达遥感 - 历史发展、组成及优势介绍

激光雷达遥感是遥感的现代形式（遥感的基本概念）。 它代表“光检测和测距”， 它类似于雷达成像， 这两个系列的传感器都旨在有限的频率范围内传播能量， 接收反向散射能量以生成地球表面的图像。 激光雷达和雷达技术都是主动遥感的示例， 它们可以产生自己的能量来源， 这仅仅意味着其能够不依赖太阳能来收集地球表面的信息。

他们可能会比较传输和返回能量的特性（脉冲时间、波长和角度）， 以不仅分析反向散射的亮度， 还分析其角度位置、频率变化和反射脉冲的时间。 了解这些属性意味着可以处理激光雷达数据， 如有源微波传感器收集的数据， 以获取表征普通光学传感器无法表示的地形结构和植被特征的信息。

上图为普通光（顶部）和相干光（底部）图。

激光代表“通过受激发射辐射进行光放大”， 是一种向“可释放”物质提供强大电流的装置， 通常是晶体或气体， 如红宝石、二氧化碳、氦氖、氩和许多不常见的材料。 正如我们所讨论的，激光雷达系统发射的光是相干光束， 每一种物质都为单个激光器提供特定的波长特性。

激光雷达遥感的历史发展与组成

在 20 世纪 50 年代后期发明了激光。 它们最初被用于科学研究和工业目的。 早期的激光雷达主要用于大气（大气结构和组成）剖面分析： 可以安装静态激光器向上凝视天空以测量大气气溶胶。 一部分激光束被悬浮在大气中的固体粒子引导回地面， 在那里进行分析以显示大气粒子的数量。 因激光可以测量反向散射的时间延迟， 因此可以评估跨越数公里深度的大气纯度， 提供其探测到层的海拔高度数据。

上图为简单激光器的示意图。

利用激光雷达遥感进行精确的地形高程估计始于 70 年代后期。 第一个系统是剖面传感器， 它们只收集飞机路径正下方的海拔数据。 这些早期的激光地形系统非常复杂， 并不总是能够很好地适应在广阔区域收集具有成本效益的地形数据， 因此它们的使用受到限制。

拍摄地球表面照片的激光雷达最近才被归类为遥感设备。 到 20 世纪 80 年代后期，各种技术已经发展和融合， 为创建我们目前所知的精密扫描激光雷达系统奠定了基础。

激光雷达最成功的早期用途之一是精确测量水深。 在这种情况下， 最初的反射回波记录了水面， 随后是来自水体底部的较弱回波， 可使用脉冲返回的微分传播时间来确定水深（图 a）。

现代激光雷达采集始于配备高精度 GPS（全球定位系统）， IMU（用于测量传感器相对于地面的角度方向）的飞机、 快速脉冲（10,000 到 100,000 脉冲/秒）激光器、高精度时钟、重要的机载计算机支持、 可靠的电子设备以及激光雷达遥感中强大的数据存储。

上图显示机载扫描激光雷达系统的组件。

除了快速脉冲之外， 当前的激光雷达系统还可以在每个脉冲中捕获五个或更多回波， 从而使它们不仅能够区分森林冠层和裸露地面等特征， 还能区分两者之间的表面（例如中间森林结构和林下层）。

上图为当森林冠层的各个表面被“击中”时， 激光雷达脉冲记录多次回波。

激光雷达土地测量的优势

• 测量精度高（+ – 垂直精度 5-15 厘米，水平精度 30-50 厘米）。
• 激光雷达遥感技术能够生成被测土地的三维 (3D) 模型。
• 它在土地资源的利用和评价中起着重要的作用。
• 它可用于建立高精度的土地利用和土地覆盖数据库。
• 它可用于收集信息和实时监控土地。
• 激光雷达技术非常有助于实时监测潜在的地质灾害，最大限度地减少地质灾害造成的损失。
• 它对于人造和非人造物体的高度估计很有用。
• 传统的调查方法可能需要几天或几周的时间才能从现场收集数据， 但在激光雷达无人机调查工作的情况下， 收集信息所花费的时间会更少。
• 借助激光雷达无人机， 勘测员可以轻松勘测那些其他方式难以或无法勘测的区域， 如悬崖峭壁、陡坡难以进入的区域、危险地形等。
• DGPS 系统需要几个 GCP（地面控制点）来参考接收器， 但在激光雷达陆地测量的情况下， 不需要参考任何具有 GCP 的系统。
• 无人机在非常低的高度飞行， 这使得生成厘米级空间分辨率的数据成为可能。
• 激光雷达遥感技术可以穿透植被到达地下， 从而制作出高精度、高细节的 DSM 和 DTM。
• 数据收集不受太阳倾角、夜间和轻微恶劣天气的影响。
• 激光雷达以每秒高达 167,000 个脉冲的点云密度生成数据。 每平方米可测量超过 24 个点，
• 激光雷达还观察反向散射能量的振幅， 从而记录每个数据点的反射率值。 该数据虽然在光谱上很差， 但可用于分类， 源于在使用的波长下可以准确区分某些特征。