雷达遥感技术：原理、应用及免费数据源和软件

引言

激光雷达（LiDAR）技术利用高速激光脉冲进行环境扫描，获取精确的三维空间数据。这项技术可以分为机载激光雷达和地面激光雷达，其中机载激光雷达能够通过离散回波测量或全波形记录来捕捉返回的激光脉冲。离散回波激光雷达广泛应用于多个领域，而全波形激光雷达则主要用于林业领域。本文将重点介绍离散回波激光雷达的原理、应用以及相关的免费资源。

激光雷达的基本组件

激光雷达系统的核心包括激光发射器、扫描仪和探测器。其中：

激光发射器：地面激光雷达使用的波长通常在500-600纳米之间，而机载激光雷达则使用1000-1600纳米的波长。

扫描仪和探测器：这些设备负责发射激光并接收从地面反射回来的光脉冲。

差分全球定位系统（DGPS）和惯性测量单元（IMU）：这两个组件通常集成在位置和定向系统中，为激光雷达数据提供精确的地理位置和定向。

通过这些组件的协同工作，激光雷达能够创建精确的三维点云，用于各种应用。

利用机载激光雷达进行离散回波和全波形测量。

激光雷达遥感工作原理

激光雷达的工作原理可以分为以下几个步骤：

发射激光脉冲：向特定方向快速发射激光脉冲。

接收反射光脉冲：通过探测器捕捉反射回来的激光脉冲。

计算距离：利用光速和脉冲的往返时间，计算激光与目标之间的距离。

生成三维数据：结合DGPS和IMU的数据，精确计算出反射点的三维坐标。

典型的机载激光雷达系统。

激光雷达的物理原理

激光雷达系统使用两种类型的激光器：脉冲和连续波。脉冲激光雷达系统的工作原理是发出一个短的光脉冲，然后测量该脉冲到达目标并返回接收器所需的时间。对往返时间的测量有助于确定与目标的距离。示意图中显示了发射光信号 (AT) 和接收光信号 (AR) 的振幅。该系统使用的基本等式涉及光速（c）和目标距离（R），使系统能够根据光返回所需的时间计算距离。

其中 c 是光速。此外，激光雷达的测量还涉及到目标的反射特性和探测器的灵敏度，这些因素都在标凈激光雷达方程中得到考虑。

标准激光雷达方程概括了激光雷达的测量过程，该过程同时考虑了探测器和目标的特性。该方程改编自雷达方程，是理解激光雷达系统如何计算距离的基础。它描述了发射信号的功率（Pt）和接收信号的功率（Pr）之间的关系。从本质上讲，该方程有助于量化有多少发射光经过目标反射后返回接收器，这对于确定距离和绘制精确地图至关重要。这一关系考虑到了距离和与目标表面相互作用造成的信号衰减等因素。

激光雷达遥感的应用

激光雷达技术在多个领域有着广泛的应用：

地形测绘：创建精确的数字高程模型（DEM）。

林业：分析树冠结构和估算森林的生物量。

海岸线监测：跟踪侵蚀和海平面变化。

城市规划：模拟建筑和交通网络的三维模型。

考古：记录历史遗址和文物的精确位置。

地质和矿业勘探：监测地表变化和资源分布。

自动驾驶：车辆导航和障碍检测。

行星探测：例如，对火星表面进行详细映射。

免费软件与资源

Open Topography - 提供各种地形数据的平台

USGS Earth Explorer - 提供包括激光雷达在内的多种地理数据

United States Interagency Elevation Inventory - 提供高程数据的合作资源

NOAA Digital Coast - 提供包括激光雷达在内的沿海数据集

Wikipedia LiDAR - 美国国家激光雷达数据集的通用信息

LiDAR Online - 提供各种激光雷达数据集的资源

National Ecological Observatory Network (NEON) - 提供包括激光雷达在内的航空数据

西班牙北部的激光雷达数据 - 提供北部地区的特定激光雷达数据：Gipuzkoa

英国的激光雷达数据 - 提供英国地区激光雷达数据集的访问：CEDA

免费激光雷达软件

一系列用于激光雷达数据可视化和分析的免费软件工具

ENVI LiDAR - 管理激光雷达数据的软件（需要ENVI）

FugroViewer - 用于查看激光雷达和其他地理数据集

FUSION/LDV - 提供激光雷达可视化和分析工具

LASUtility - LAS文件的可视化和转换GUI工具

LibLAS - 用于操作LAS文件的C/C++库

MCC-LiDAR - 激光雷达数据的分类软件

MARS FreeView - 3D激光雷达数据可视化工具

Full Analyze - 开源软件，用于处理激光雷达点云

Point Cloud Magic - 激光雷达点云可视化和分析的软件工具集。

Quick Terrain Reader - 激光雷达点云的可视化工具

更多工具和资源可以在 Open Topography 工具注册网页找到

致谢

本文整合了 Vinícius Guimarães 在 2020 年发表的研究论文《激光雷达遥感及应用》中的研究成果。完整论文可在此处获取：完整文章。

这份全面的激光雷达数据源和免费软件列表为遥感和地理分析领域的专业人士和研究者提供了必要的工具包。

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