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第一篇 基础原理3

第1章 激光雷达主动遥感技术的起源与发展分化3

1.1激光雷达技术简介及发展历史4

1.2激光雷达分类6

1.3主要商业激光雷达设备简介8

1.3.1国外主要商业激光雷达设备8

1.3.2国内主要商业激光雷达设备10

1.4激光雷达数据专业处理软件简介11

1.5激光雷达在森林生态学中的应用价值12

1.6小结15

参考文献16

第2章 激光雷达工作原理20

2.1激光扫描仪的测距原理20

2.1.1脉冲式测距20

2.1.2相位式测距21

2.1.3测距精度22

2.2激光扫描仪的辐射原理24

2.2.1激光雷达方程24

2.2.2辐射回波信号26

2.3地基激光雷达工作原理27

2.3.1地基激光雷达系统组成27

2.3.2地基激光雷达系统的主要参数29

2.4机载激光雷达工作原理30

2.4.1机载激光雷达系统组成30

2.4.2机载激光雷达系统的主要参数35

2.5星载激光雷达工作原理36

2.5.1星载激光雷达系统组成38

2.5.2星载激光雷达系统的主要参数39

2.6小结39

参考文献40

第3章 激光雷达外业工作流程和系统误差来源41

3.1地基激光雷达扫描系统作业基本流程41

3.1.1扫描前期准备41

3.1.2扫描作业规划43

3.1.3数据采集作业43

3.1.4数据初期检验44

3.2机载激光雷达扫描系统作业基本流程46

3.2.1机载激光雷达作业流程概述46

3.2.2 航测前期准备工作47

3.2.3航测方案规划设计48

3.2.4航测数据采集作业50

3.3地基激光雷达扫描系统误差来源53

3.4机载激光雷达扫描系统误差来源53

3.4.1飞行平台误差54

3.4.2 POS系统误差54

3.4.3激光传感器误差55

3.4.4系统集成误差55

3.5小结56

参考文献56

第二篇 技术方法59

第4章 激光雷达点云数据格式59

4.1点云数据格式、组成和特点59

4.1.1点云数据格式和组成59

4.1.2点云数据特点67

4.2点云数据索引68

4.3点云数据的读取71

4.3.1为什么选用Python编程语言？71

4.3.2 Python的基本语法72

4.3.3 Python读取激光雷达数据及其索引73

4.4小结75

参考文献76

第5章 激光雷达数据滤波和数字高程模型生成77

5.1滤波简介77

5.1.1基本概念77

5.1.2滤波的难点79

5.2滤波方法概述80

5.2.1基于坡度的滤波方法80

5.2.2基于形态学的滤波方法81

5.2.3基于插值的滤波方法88

5.2.4基于渐进三角网加密的滤波方法90

5.2.5基于分割思想的滤波方法92

5.2.6混合滤波方法93

5.3滤波精度评价比较95

5.4 DEM的生成97

5.4.1 DEM插值方法与比较97

5.4.2 DEM误差分析100

5.4.3 DEM精度分析102

5.5小结107

参考文献107

第6章 地基激光雷达数据分析和特征提取111

6.1点云解算111

6.2点云配准112

6.3噪声去除114

6.3.1基于空间分布的去噪算法114

6.3.2基于聚类的去噪算法116

6.3.3基于密度的去噪算法116

6.4点云特征提取118

6.4.1颜色特征118

6.4.2局部几何特征118

6.5点云分类121

6.5.1基于模型拟合的点云分类121

6.5.2基于区域增长的点云分类124

6.5.3基于聚类的点云分类126

6.6小结129

参考文献129

第7章 机载激光雷达数据分析和特征提取132

7.1机载激光雷达数据处理流程132

7.2机载激光雷达数据解算134

7.3航带拼接与航带平差137

7.4点云数据的粗差探测139

7.4.1粗差定义和来源139

7.4.2粗差探测与剔除140

7.5机载激光雷达点云分类和目标提取141

7.5.1点云分类和目标提取方法简介141

7.5.2点云监督分类流程及精度分析143

7.5.3点云监督分类过程中的特征提取144

7.6小结152

参考文献152

第8章 星载激光雷达数据分析和特征提取158

8.1 GLAS简介158

8.1.1概述158

8.1.2 GLAS产品简介160

8.1.3 GLAS数据获取与数据类型162

8.2 GLAS波形数据处理与参数提取163

8.2.1 GLAS波形数据处理163

8.2.2 GLAS波形参数提取165

8.3 GLAS数据应用170

8.3.1大区域尺度树高估算171

8.3.2大区域尺度地上生物量估算175

8.4小结180

参考文献181

第9章 森林结构参数提取184

9.1群落水平林业结构参数184

9.1.1群落垂直结构剖面184

9.1.2群落结构参数及层片结构185

9.2单木水平林业结构参数提取186

9.2.1单木分割186

9.2.2结构参数批量提取194

9.3小结201

参考文献202

第10章 生态系统功能参数反演与大尺度模拟206

10.1冠盖度与郁闭度206

10.2叶面积指数212

10.2.1理论基础213

10.2.2地基激光雷达提取LAI214

10.2.3机载激光雷达提取LAI218

10.2.4星载激光雷达提取LAI221

10.3地上生物量223

10.3.1基于大光斑激光雷达的森林地上生物量估算223

10.3.2基于小光斑激光雷达的森林地上生物量估算225

10.4小结226

参考文献226

第三篇 应用与前沿展望233

第11章 激光雷达技术在森林生态系统动态监控中的应用233

11.1森林动态监控233

11.1.1基于激光雷达的森林动态监控234

11.1.2基于激光雷达的森林生长模型构建237

11.2林火监控和林火烈度评估241

11.2.1基于激光雷达的林火实时监控242

11.2.2基于激光雷达的林火烈度评估244

11.2.3基于激光雷达的森林可燃物载量估算247

11.3森林疏伐区检测249

11.4小结251

参考文献252

第12章 激光雷达技术在森林生物多样性、生态水文及生态模型中的应用257

12.1激光雷达技术在生物多样性研究中的应用257

12.1.1遥感技术在生物多样性研究进展258

12.1.2激光雷达技术在生物多样性研究中的应用实例261

12.1.3激光雷达技术在生物多样性监测网络中的发展前景266

12.2激光雷达技术在生态水文研究中的应用267

12.3激光雷达技术在生态模型中的应用269

12.4小结271

参考文献272

第13章 基于激光雷达技术的植被三维可视化重建277

13.1单木水平的三维重建277

13.2景观水平的三维可视化模拟282

13.3植被三维重建的应用领域286

13.4小结287

参考文献288

第14章 近地面移动激光雷达平台的兴起及其生态应用291

14.1背包激光雷达系统291

14.1.1背包激光雷达系统的硬件组成292

14.1.2背包激光雷达系统的工作原理293

14.1.3背包激光雷达数据示例295

14.2车载激光雷达系统296

14.2.1车载激光雷达系统的硬件组成297

14.2.2车载激光雷达系统的工作原理297

14.2.3车载激光雷达数据示例301

14.3无人机及其他近地面激光雷达系统301

14.3.1无人机激光雷达系统的硬件组成303

14.3.2无人机激光雷达系统的工作原理305

14.3.3无人机激光雷达数据示例305

14.4近地面移动激光雷达平台的生态应用307

14.4.1在城市生态系统中的应用307

14.4.2在湿地生态系统中的应用309

14.4.3在草地生态系统中的应用310

14.4.4在农田生态系统中的应用311

14.5小结315

参考文献315

第15章 激光雷达技术面临的挑战与应用展望317

15.1激光雷达的技术展望317

15.1.1传感器的研发和创新317

15.1.2多源异构数据融合321

15.1.3激光雷达在大数据时代的发展和机遇325

15.2激光雷达在森林生态系统的应用展望328

15.3小结330

参考文献331

索引335