Queija V R, Stoker J M, Kosovich J J
Recent U.S. Geological Survey Applications of Lidar
关键词：激光雷达-应用
随着激光雷达（Light detection and ranging，Lidar）技术的成熟，美国地质调查局（U.S. Geological Survey，USGS）在这个方向开展了许多应用研究。科学家们正在发展表达、使用高分辨率Lidar数据的新型技术；同时，为方便公众获取相应信息，数据及提取信息的发布手段也在研究之中。以下通过几个实例做一简要介绍。
1 典型研究
1.1数据分发
建立国家地图集（National Map）的一个目标是向公众发布基础数字地理信息。该地图集的高程部分是通过USGS地球观测系统（EROS）数据中心的国家高程数据集（National Elevation Dataset, NED）维护的。NED提供3种分辨率（经融合处理）的无缝数字高程模型：30m、10m和3m。其中，覆盖全境的30m分辨率模型已经完成，10m分辨率模型的建立正在进行，3m分辨率的Lidar数据也将逐步加入NED中。在某些地区，已经完成了所有3种分辨率的DEM，用户可以根据特定应用选择相应的数据。
作为国家数字高程计划（National Digital Elevation Program, NDEP）的成员，USGS建立了一个查询现有Lidar数据的网站以协助科研人员获得亟需的数据。同时，NDEP的成员正在考虑建立覆盖全境的Lidar数据集以协助各种减灾研究。
1.2可视化与数据表达研究
科学家们正在研究一种对高分辨率Lidar数据进行显示、表达、建模的新方法。该方法在对Lidar数据进行组织时，没有使用点坐标、规则格网、不规则三角网等传统手段，而采用体元（voxel）作为表达三维空间的基本单位。这种方式不仅可以在三维空间中表达Lidar数据，也为二维图像与三维高程数据的融合提供了方便。与二维规则格网和TIN结构相比，体元在表现城市环境、植被结构及数据可视化上更具优势。通过这种方式可以表达相同平面坐标上的不同高程值，从而细致刻画各种亚表面、（建筑物）垂直分布、桥下的河道、树冠等。
通过分析某些物理信息在体元间的传播模式，这种结构也可用于三维建模，如火情模型和洪水模型等。研究人员预计：在未来的几年内，以高分辨率激光雷达和图像数据（通过体元组织）为基础，可以实现在虚拟森林、虚拟城市中漫游。
1.3海岸带研究
通过对佛罗里达州比斯坎湾国家公园工作的分析，USGS的科学家正在评估Lidar新的应用潜力，其中包括EAARL数据在各种环境下辨别和表现浅海水下动植物生活环境的能力，EAARL（Experimental Advanced Airborne Research Lidar）是（美国）国家航空航天局发展的一种测深Lidar系统，其光斑尺寸较小，具有获取水底表面明显纹理特征的潜力。
在佛罗里达珊瑚岛北部开展的工作中，初步的研究集中在开发一种（基于Lidar数据的）量测珊瑚礁光学粗糙度（optical rugosity）的方法上。这项研究还结合使用了高光谱传感器AISA（Airborne Imaging Spectroradiometer for Applications）。对Alina礁的研究结果说明使用Lidar得到的光学粗糙度指标可以对礁石不同的表面情况进行区分。
所有这些初步研究结果表明：特定Lidar系统——窄波束、高重复频率、记录反射信号波形、绿波段——具有反映珊瑚礁生存环境形态复杂性的潜力。
1.4 生物学研究
USGS的研究人员正在研究Lidar在预测鸟类出现概率上的应用（通过建立植被结构模型）。当前的工作包括改进研究区域的DEM及开发相应的植被结构估计方法。他们希望可以得到一个逻辑回归模型，以预测不同种类的鸟在多个研究区域出现的概率。
1.5 城市环境下生物量研究
定量估计生物量可以协助多种应用的开展。而城市环境中复杂的土地利用情况使生物量估计充满挑战。融合Lidar数据与光谱特征已经被证明是一种有潜力的土地覆盖分类方法。
1.6 数据比较和转化
通过实验区域高程数据集和地面控制点GPS数据，研究人员正在比较、分析Lidar和IFSAR数据的垂直精确度。除了表面的绝对精度，研究人员还对两种技术获取的高程模型进行了整体比较。其它研究还包括利用基于Lidar数据的特征提取手段建立专题图，如建筑物等。
2 地质研究——利用Lidar技术对圣海伦（St. Helens）山的测量
为协助针对火山爆发的减灾研究，USGS于2003年9月获得了圣海伦山的Lidar数据。这些准确的高分辨率DEM最初被用于地形数据存档，而2004年该地区的火山和地震活动使科学家们意识到Lidar数据在定量描述熔岩穹丘增高上的应用潜力。
高分辨率Lidar数据可以准确记录火山口内高度变化，USGS的科学家们正以此为基础研究圣海伦山最近的火山活动。与USGS及NASA其它科学家一道，Cascades火山观测所的研究人员使用Lidar数据集作为分析火山口内表面高程变化的基础。2003年和2004年两次量测的对比结果显示：火山口内地形升高部分的高度达110m。同时，利用提取的DEM及时间序列DEM，科学家们还对火山活动、灾害情况进行建模，并确定穹丘增高的速率。
3 结 论
作为一种能够提供高精度地形数据的手段，Lidar被应用于USGS各种研究计划中，以上介绍的例子仅涉及到其中的一小部分。随着数据费用的降低、技术的成熟及更多的实际应用，相信关于Lidar技术的研究和应用将会在USGS中更加普遍。 （梁欣廉编译自Photogrammetric Engineering & Remote Sensing，2005，71(1)：5~9） |
