專利名稱：激光雷達系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這個發(fā)明涉及到一種激光雷達系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明具體應(yīng)用于這樣的一種系統(tǒng)和方法中，所述系統(tǒng)和方法通過記錄一激光雷達脈沖返回用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計。
本發(fā)明在其各個方面利用了一系列新發(fā)明性的以激光雷達為基礎(chǔ)的硬件、軟件和方法，且特定地、但非唯一地應(yīng)用于測量植物冠層的空間結(jié)構(gòu)及覆蓋，從而允許如從植物元素體積和面積所推斷來測量且監(jiān)視冠層生物量。
背景技術(shù)：
用于測量植物冠層生物量的系統(tǒng)和方法是公知的且被用在一系列應(yīng)用中，包括環(huán)境管理和實踐、林業(yè)清查和操作，以及日益增加地應(yīng)用在根據(jù)包括Montreal and Kyoto Protocols在內(nèi)的眾多國際協(xié)議下監(jiān)視森林條件和生長。
當(dāng)機載地形激光雷達這些激光雷達系統(tǒng)已經(jīng)被應(yīng)用于陸地和地形測繪時，由于來自樹木返回信號的存在，機載地形激光雷達因其在“植物冠層測繪”的潛在使用而被公知。用于測量被森林覆蓋面積統(tǒng)計的機載及宇宙飛行器載激光雷達系統(tǒng)也是公知的。
發(fā)明概述本發(fā)明在其各個方面旨在提供一種對這樣公知的系統(tǒng)和方法的可供選擇方案，所述公知的系統(tǒng)和方法通過記錄一雷達脈沖返回用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計。具體而言，本發(fā)明在其各個方面旨在提供一種評價植物冠層的公知系統(tǒng)和方法的可供選擇方案。
本發(fā)明的各個方面是如隨后所列出的幾個共同未決專利申請的主題且同時應(yīng)該對這些專利申請中的每一個加以參考，每個專利申請的技術(shù)說明共同地包含具有重要意義的部分。
本發(fā)明的各個方面是如下這幾個共同未決的申請的主題第一專利申請這個申請涉及到一種基于地面的森林勘查系統(tǒng)和方法，所述森林勘查系統(tǒng)和方法多方面地利用多角度測深、可控制的變化的束寬度和形狀、并且記錄帶有校準(zhǔn)的返回波形，從而為角度和束大小及形狀的每個選擇提供作為距離的函數(shù)的視在反射比。所述技術(shù)說明還涉及本發(fā)明的下述方面-結(jié)合掃描時的角度靈活度來控制和利用束大小和測距，以解決樹葉叢生(clumping)的“盲點”效應(yīng)。
-單獨地或者組合地利用角度靈活度、束大小和形狀及測距，以解決對象方位和角度分布的“盲點”效應(yīng)。
-控制和利用束大小與測距，再加上結(jié)合有對返回信號脈沖強度的高速率抽樣、小脈沖寬度及適宜的信噪比(SNR)，以解決散射體密度和反射率之間折衷的“盲點效應(yīng)”。
第二專利申請這個申請涉及到來自上述第一專利申請基于地面的判讀(interpretation)與機載數(shù)據(jù)相結(jié)合，以從機載系統(tǒng)提供機載系統(tǒng)獨自無法獲得的大面積信息。技術(shù)說明還涉及組合的地面和機載系統(tǒng)，所述兩者均使用激光雷達技術(shù)以多方面地提供下述內(nèi)容中的一個、一些或全部-從具有冠層內(nèi)深度的植物處獲取具有高信噪比(SNR)的信號；-利用可變化的束寬度和形狀進行測深；以及-在多方向進行掃描且變化掃描圖案；以及任選地，一個或多個下述內(nèi)容-以RF速率捕獲且存儲數(shù)據(jù)；-測量被校準(zhǔn)的輸出脈沖強度；-測量對納秒抽樣的返回蹤跡(trace)的被校準(zhǔn)的強度；-通過脈沖解卷積提供到目標(biāo)的精確距離；-在原處處理數(shù)據(jù)第三專利申請這個申請涉及用于判讀來自上面所述第一和第二申請中所概述的方法和系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)，以利用下述發(fā)明方法或算法中的一個、一些或全部來提供大面積森林產(chǎn)物(products)-視在反射比的計算和使用-卷積的微分方程式(以Pgap)與先進的幾何概率模型的結(jié)合；-先進的解卷積算法，以增強(sharpen)數(shù)據(jù)并且去除地面效應(yīng)以及利用被校準(zhǔn)的脈沖模型測量崎嶇不平的地形對地面脈沖的影響；-通過模型化對多層的判讀；-利用基于地面的系統(tǒng)對實際樹葉輪廓的確定并擴充到機載系統(tǒng)；-將基于地面的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中的樹葉量與角度分布輪廓進行的分離，用于判讀機載系統(tǒng)數(shù)據(jù)；-樹葉方差輪廓的確定和使用，用于叢生測量；-Steiner’s Theorem(斯泰納定理)、加權(quán)膨脹(weighteddilation)和幾何概率的使用，以測量樹和冠層的大小和形狀信息(例如在胸高處的直徑(DBH)、基面積、高度、木材體積、大小分布、葉面積指數(shù)(LAI)、冠長度比等)；-森林的層化，其通過利用基于地面數(shù)據(jù)的異速生長關(guān)系、分層、及樹葉角度，是基于地面的系統(tǒng)對機載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)。
此申請是上面所列出的第一申請。共同未決申請分別被編號為...和.....。
這個發(fā)明在一個方面廣泛地屬于基于地面的、用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化的分散對象的空間統(tǒng)計的方法，所述方法包括-產(chǎn)生多個激光能量的脈沖束，所述束具有選擇性可變化的寬度和形狀；-選擇性地改變所述束的寬度和形狀-使所述束導(dǎo)引向分散的對象；-測量由分散對象所返回信號的時間及/或相位及強度；以及-針對每個束寬度和束形狀計算作為被分散對象的距離函數(shù)的被散對象的視在反射率。
如在此所使用，表達“視在反射比”意味著對于一個給定的或標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)或?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的反射比，所述標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)可從與所測量的返回信號相同的距離返回相同強度。
優(yōu)選地所述方法包括根據(jù)所計算的視在反射比來校準(zhǔn)一設(shè)備。
在另一方面本發(fā)明廣泛地屬于一種基于地面的系統(tǒng)，其用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上可變化的分散對象的空間統(tǒng)計，所述系統(tǒng)包括-激光雷達裝置，其用于產(chǎn)生多個具有選擇性可變化的寬度和形狀的激光能量脈沖束、用于選擇性地改變所述束的寬度和形狀、以及用于將所述束導(dǎo)引向分散對象；-測量裝置，其用于測量由所述分散對象所返回信號的時間和/或相位以及強度，以及-計算裝置，其用于針對每個束寬度和束形狀計算作為分散對象的距離函數(shù)的分散對象視在反射比；借此所述系統(tǒng)根據(jù)所計算的視在反射比被校準(zhǔn)。
優(yōu)選地所述方法和系統(tǒng)每個均勘查森林且測量該森林中植物冠層的空間結(jié)構(gòu)及覆蓋。
還優(yōu)選地是所述方法和系統(tǒng)每個均勘查單個的測量樹且得出涉及其的統(tǒng)計信息。
在一個優(yōu)選的實施例中，勘查森林的方法包括通過束大小、距離和掃描角度的受控變化將樹葉叢生的阻塞效應(yīng)加以考慮。
在另一個優(yōu)選的實施例中，勘查森林的方法包括通過束大小和/或形狀以及/或掃描的距離和/或角度將對象方位和/或樹葉分布的角度的效應(yīng)加以考慮。
在另一個優(yōu)選的實施例中，勘查森林的方法包括通過束大小和距離的受控變化并且通過利用返回脈沖強度的高抽樣速率、小脈沖寬度及適宜的Signal to Noise Ratio(信噪比)，將散射體密度和反射率之間的折衷加以考慮。
本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明在廣義上講本發(fā)明提供一種工具，所述工具提供有關(guān)到在特定方向上被分布的散射元素組的距離、返回信號的強度(其涉及到散射體的反射率和數(shù)量)以及強度/時間信號隨激光雷達束的大小和形狀以及其方向和位置變化的方式的信息?？臻g關(guān)系和被校準(zhǔn)的信號形成了空間數(shù)據(jù)集，所述空間數(shù)據(jù)集就森林冠層內(nèi)元素(如葉子、莖、樹干、樹木、灌木及草)的大小、形狀、孔隙率或裂縫率、密度和間隔等信息可被加以分析。
從一束是一捆光線的意義上看正如在此處所使用的那樣，表達“束”包括光線和束兩者。此外將理解為由光學(xué)裝置(擴展且成形為連續(xù)分散束)或通過使用被捆扎成不同形狀或大小的發(fā)射(shot)“捆(bundle)”，可以提供束的可變化的大小和形狀。
在詳細討論作為這個申請主題的本發(fā)明的優(yōu)選實施例之前，將提供對激光雷達系統(tǒng)和冠層測繪的說明以更有助于對本發(fā)明的理解。
激光雷達(光/激光雷達或光/激光探測及測距的首字母縮寫詞)是一種設(shè)備，其中一束在可見光或類似光譜區(qū)域(如接近紅外區(qū)域)的激光能量被以規(guī)定的方向和時間(或相位)發(fā)送，且任何來自脈沖的返回信號強度被用來測量在束方向上到散射體的距離以及散射體的量。在脈動的激光雷達中，被稱為“發(fā)射”、身為有限寬度但有峰值的激光能量脈沖被發(fā)送出且信號的返回時間被加以測量以獲得到散射事件的距離。
地形激光雷達或激光高度計測量地形且產(chǎn)生數(shù)字地形圖像。這些設(shè)備使用高空間密度的小足跡激光脈沖或“發(fā)射”，以使每個發(fā)射能夠透入冠層的間隙而不衰減，從而建立來自地面的足夠數(shù)量和功率的返回信號以傳感在許多覆蓋水平下的地形高度。雖然非常高密度的小足跡返回從空間上被聚集(aggregate)以導(dǎo)出有關(guān)植物的信息是可行的，但是在大多數(shù)當(dāng)前系統(tǒng)中所涉及的處理事項、高的空間方差、反射比“斑點”的效應(yīng)及缺少校準(zhǔn)等已經(jīng)使得這難以做到。利用這種系統(tǒng)來覆蓋大面積的成本意味著地形激光雷達并不提供區(qū)域性植物測繪的實際方案。
地形激光雷達技術(shù)的主要局限性出現(xiàn)在具有顯著森林覆蓋的面積上，其中上層林冠(overstorey)漫射了返回信號從而導(dǎo)致高的方差及模糊的地面反射。當(dāng)前的機載地形激光雷達系統(tǒng)對輸出脈沖的第一和最后一次明顯返回進行計時。激光雷達束通常非常窄，用以獲得通過冠層內(nèi)現(xiàn)存孔或其它地面上障礙物的最大透入且從地面返回一個待被探測到的高于閾值的足夠功率的信號。因為散射事件的存在及其距離是數(shù)據(jù)的主要方面，所以強度極少被加以測量(除非它高出閾值)。
被應(yīng)用到地形激光雷達的基本策略是這樣的原理，即如果在地面上存在眾多散射元素，則窄束將錯過它們且撞到地面的概率取決于表面覆蓋的“間隙概率函數(shù)”。正常地，這個間隙概率具有非常高的空間方差。因此，如果表面被覆蓋有一組非常致密的窄束激光雷達脈沖，則通常少量將透入間隙并獨自地將強信號返回以探測地面的位置。有希望地是，足夠脈沖將返回以推斷下面表面的位置。因為束不可能具有零寬度，所以任何激光雷達束的一部分可被不同的元素在地面以上散射。因此大多數(shù)地形激光雷達測量第一和最后一個明顯的返回。
使用非常高的發(fā)射密度且利用高的空間方差以從地面得到小量但單個地強烈的一組返回的方案特征在于地形激光雷達。如果束被增寬，則相對于覆蓋，地面信號的相對強度降低，但是空間方差和其原因(冠層結(jié)構(gòu))變成得到更好控制且在信號中可用。這個控制限定了地形和冠層激光雷達之間的差異?？勺兪鴮挾鹊拈_發(fā)可以被加以利用，以作為測量植物冠層的強有力工具。
在公知的用于冠層測繪的機載和宇宙飛行器載激光雷達系統(tǒng)中，通過將整個返回數(shù)字化且使用相對大的足跡(如10-25m)以便于來自冠層輪廓的所有可到達的元素的信號被記錄在單個返回蹤跡中，則激光脈沖的返回功率被加以測量。返回的時間是目標(biāo)距離的量度，且返回的強度是對目標(biāo)散射橫斷面及反射率的指標(biāo)。通過將對返回的數(shù)字化與較大但可變的束足跡及掃描激光相結(jié)合，有可能覆蓋區(qū)域性植物勘查所需要的面積種類且檢索由任何其它形式的遠程傳感一直無法獲得的冠層信息。
在激光雷達數(shù)據(jù)的返回強度上還存在一些基本的不確定性，其成為僅傳感距離的激光雷達系統(tǒng)與那些尋求測量先進的冠層結(jié)構(gòu)信息的激光雷達系統(tǒng)之間的工程技術(shù)要求與建造明顯差異的原因。對于前者，通過對脈沖的峰值進行計時便獲得了距離，而強度和脈沖寬度并不重要。對于所有的激光雷達，到目標(biāo)的這一距離獨立于強度的校準(zhǔn)且其是最有意義的數(shù)據(jù)產(chǎn)物。
然而，如果返回的強度對于分析也是重要的，則優(yōu)選地設(shè)備被校準(zhǔn)，以便于數(shù)據(jù)可以被分解為單元如“視在反射比”，即從相同距離返回相同強度的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的反射比。
甚至當(dāng)數(shù)據(jù)被校準(zhǔn)時，這種被校準(zhǔn)的強度數(shù)據(jù)可以在分布的散射體的區(qū)域內(nèi)具有高水平的不確定性，這是因為少數(shù)具有高反射率或具有與束方向?qū)?zhǔn)的散射表面的散射體將給出與具有低反射率或具有傾斜于束方向的有效面積的許多散射體相同的返回。這些效應(yīng)可被總結(jié)為主要影響利用返回強度的機載冠層激光雷達系統(tǒng)的三個“盲點”。這三個盲點是-散射體密度與反射率之間的折衷；-樹葉角度分布的效應(yīng)；-樹葉叢生的效應(yīng)在所述第一情況下，較少的反射性散射具有與更低反射率的散射相同的視在反射比。在所述第二情況下，如果激光雷達發(fā)射僅處于一個方向(例如垂直)，則即使材料量是相同的，但是垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu)將給出非常不同的結(jié)果。在第三種情況下，“叢生”產(chǎn)生阻塞且導(dǎo)致“隱藏的”生物量。
優(yōu)選地數(shù)據(jù)分析將這些“盲點”加以考慮，并且找到解決它們的辦法。在本發(fā)明方面之一中，建議從冠層內(nèi)以地面為基礎(chǔ)的激光雷達中得到的關(guān)系可以“校準(zhǔn)”機載和/或宇宙飛行器載激光雷達，以在寬區(qū)域上擴充高度細節(jié)性的結(jié)構(gòu)信息。
在本發(fā)明的其它方面中，其提供被構(gòu)建成取得這些數(shù)據(jù)的設(shè)備和支持系統(tǒng)。在本發(fā)明的其它方面中，還涉及到這樣的數(shù)據(jù)如何可被開發(fā)且分析，以提供有關(guān)森林和林地的有意義的結(jié)構(gòu)信息。
提供分析用數(shù)據(jù)的激光雷達系統(tǒng)的特征是它們1.從具有冠層中深度的植物處獲取具有高信噪比(SNR)的信號；2.測量對納秒抽樣的返回蹤跡的強度；3.通過脈沖解卷積提供到目標(biāo)的精確距離；4.利用可變的束寬度和形狀進行測深；5.在多方向上進行掃描；6.以射頻速率(RF)來捕獲且存儲數(shù)據(jù)由本發(fā)明所提供的森林測量包括-在給定方向上在給定距離處冠層元素(例如樹葉、莖和樹干)的投影橫截面；
-在一體積內(nèi)的冠層元素的大小、形狀和密度；-在具有變化高度和層的樹及灌木中的冠層元素分布；-變化比例的間隙及元素間間距的大小。
在現(xiàn)在概括地簡單考慮遠程傳感時，應(yīng)該提到它除了被用于地面勘查及空中照相以外，公知地是從機載及宇宙飛行器載平臺處使用遠程傳感來測量冠層的類型、條件、覆蓋及結(jié)構(gòu)。還公知地是從各種形式的雷達數(shù)據(jù)及從各種平臺中導(dǎo)出結(jié)構(gòu)。
更常見地是，在光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，通過使用光譜數(shù)據(jù)，遠程傳感已經(jīng)被用來測繪大體的植物類型、物種關(guān)聯(lián)、當(dāng)前條件、光合作用及總體覆蓋。從機載平臺處使用的超光譜傳感器的最新發(fā)展及宇宙飛行器載高光譜分辨率傳感器的問世將提供這種類型的大體上基礎(chǔ)的測繪能力。然而，從這樣的數(shù)據(jù)中可以得到很少的固有結(jié)構(gòu)信息。
就直接的結(jié)構(gòu)測量所能涉及到的，一直對表面輻射率隨太陽角和視角(或雙向反射分布函數(shù)-BRDF)的變化和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系存在相當(dāng)大的興趣。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)冠層結(jié)構(gòu)是對陸地表面BRDF的形式和強度的很有力決定因素。事實上，大多數(shù)廣角數(shù)據(jù)集-如機載掃描儀、來自宇宙的指向傳感器及來自空中或宇宙的寬視野傳感器需要BRDF的一些知識，從而為隨后判讀提供一致的數(shù)據(jù)。然而，雖然在一些情況下BRDF已經(jīng)產(chǎn)生重要的結(jié)構(gòu)信息(如垂直與水平樹葉分布之間的一些比率)，但是轉(zhuǎn)化(inversion)問題一直還是難以解決。
本發(fā)明在一個方面建議針對若干距離(z)、若干視角(uv)解析擴充的間隙概率函數(shù)Pgap(z，uv)及針對入射和視野距離以及方向并以若干比例來解析其第二級函數(shù)Pgap(zi，ui，zv，uv)(即抽樣小決(patch)的大小及構(gòu)建元素的大小)。
換句話說，間隙概率被確定為視角及距離的函數(shù)且處于如“構(gòu)建元素”或“篩”的立體角所測量的各種比例。為了確定距離及作為距離的函數(shù)的Pgap，建議使用激光雷達技術(shù)及其數(shù)據(jù)。
從冠層的各種水平(level)返回的激光信號將取決于距離解析的間隙概率函數(shù)。來自地球表面的返回將取決于總的覆蓋，且第一冠層返回信號的時序?qū)⒅甘旧蠈拥母叨?。在這些數(shù)據(jù)中發(fā)射到發(fā)射的變化將是樹大小方差及將樹葉聚集成冠及叢的程度的函數(shù)。然而，利用當(dāng)前系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)的全部益處一直沒有得到實現(xiàn)。一個問題是到目前所取的數(shù)據(jù)一直很少被校準(zhǔn)(即說明能量及反射比)且另一個問題一直是在判讀中缺少水平結(jié)構(gòu)的說明。此外，當(dāng)前的機載激光雷達系統(tǒng)并不在大角度處向垂直掃描。這使得在被測繪植物的實際結(jié)構(gòu)中遺留一些明顯的不確定性。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向設(shè)備和系統(tǒng)方面，將看到本發(fā)明的激光雷達系統(tǒng)是兩個主要種類中的一個或兩個。一個在此被稱為“ECHIDNATM”的類型位于地面上且對于上半球中的各種視角以及束大小和形狀給出返回脈沖的全部數(shù)字化，且可以掃描“地平緯圈(almucantar)”或恒定天頂角掃描。它可任選地包括多頻率及極化數(shù)據(jù)。另一個是在此被稱為“VSIS”或植物結(jié)構(gòu)成像系統(tǒng)的機載系統(tǒng)。正如此處所討論的那樣，VSIS被操作用來對作為視角(從空中接近于垂直)的函數(shù)的全返回脈沖進行掃描且數(shù)字化，且正常地包括一強的地面返回且可任選地包括多頻率和極化數(shù)據(jù)。
機載系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的各個方面，優(yōu)選地使機載掃描激光雷達系統(tǒng)(被稱為VSIS)及支持硬件和軟件具備尤其是下述能力-測繪在5和25米之間的光點大小處的覆蓋/高度-計算且測繪在可分開的0.3米倉(bin)中的垂直樹葉輪廓的能力-為較低投資景觀提供精確DEM(到地面的距離)的數(shù)據(jù)-能夠共同配準(zhǔn)多光譜圖像，用于正圖像(ortho-images)及判讀-具有至0.5的激光光點FWHM(90％的時間)以內(nèi)的精確地理位置-SNR需要足夠高以測繪澳大利亞林下葉層的生物量(對于在3000米飛行高度處目標(biāo)的0.1視在反射比，SNR至少為1000∶1)-所述系統(tǒng)通常需要掃描相當(dāng)寬的地帶(例如2-4km)用于勘測工作基于地面的系統(tǒng)根據(jù)本發(fā)明的各個方面，優(yōu)選地使得用于森林測繪的基于地面的便攜式激光雷達系統(tǒng)(被稱為ECHIDNATM)具有尤其是下述能力-掃描“地平緯圈”恒定天頂(例如零和32.5o仰角)
-掃描上半球的(螺旋的)等立體角掃描，以避免在白天的近日圓盤并將背景(天空)輻射率減至最少。
-允許精確的楔形及其它形狀的激光雷達束位于在約1和5度之間的被選擇角度上。
-允許具有約8mrad到2度圓形強度的較小擴展束-使SNR鑒別澳大利亞森林中到幾百米的信號，且針對水平方向上500米的0.1視在反射比，通過獲取至少1000∶1的SNR來使其模型化。
-系統(tǒng)是便攜式的且能夠被提升至厚的林下葉層之上-通過GPS及所要求的姿態(tài)數(shù)據(jù)的定位VSIS和ECHIDNATM是由申請者所使用的術(shù)語，以分別方便地提及他們的機載系統(tǒng)和基于地面的系統(tǒng)。當(dāng)被貫穿使用于這個技術(shù)說明中時，它們將被理解為具有其通用含義而不是指具體的產(chǎn)品或系統(tǒng)。
現(xiàn)在接下來的是對本發(fā)明優(yōu)選實施例更詳細的說明，這是這個本申請的主題。對本發(fā)明所有各個方面的更全面說明將被包括在權(quán)利要求之前的技術(shù)說明中，且其作為所有上述共同未決申請的主題。
如上所討論，對于所有的激光雷達，到目標(biāo)的距離取決于對返回強度的校準(zhǔn)。如在尋求提供對冠層結(jié)構(gòu)的先進測量的激光雷達情況下，如果強度對于分析是重要的，則所述設(shè)備應(yīng)該能夠被校準(zhǔn)，以便于數(shù)據(jù)可以被分解成單元，如“視在反射比”，其是將從相同距離返回相同強度的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的反射比。
甚至當(dāng)數(shù)據(jù)被校準(zhǔn)時，這種被校準(zhǔn)的強度數(shù)據(jù)可以在分布的散射體的區(qū)域內(nèi)具有高水平的不確定性，這是因為少數(shù)具有高反射率或具有與束方向?qū)?zhǔn)的散射表面的散射體將給出與具有低反射率或具有傾斜于束方向的有效面積的許多散射體相同的返回。這些效應(yīng)可被總結(jié)為主要影響利用返回強度的機載冠層激光雷達系統(tǒng)的三個“盲點”。這三個盲點是-散射體密度與反射率之間的折衷；-樹葉角度分布的效應(yīng)；-樹葉叢生的效應(yīng)在本發(fā)明，即這個本申請的主題中，數(shù)據(jù)分析將這些盲點加以考慮，且找到產(chǎn)生數(shù)據(jù)且使用這些方法來解決它們的方式。還建議從冠層內(nèi)以地面為基礎(chǔ)的激光雷達中得到的關(guān)系可以“校準(zhǔn)”機載和/或宇宙飛行器載激光雷達，以在寬區(qū)域上擴充高度細節(jié)性的結(jié)構(gòu)信息。
用通常術(shù)語來說，根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例，用于森林測繪的基于地面的便攜式激光雷達掃描系統(tǒng)將滿足若干優(yōu)選的標(biāo)準(zhǔn)，包括-掃描“地平緯圈”恒定天頂(例如零和32.5o仰角)-掃描上半球的(螺旋的)等立體角掃描，以避免在白天的近日圓盤并將背景(天空)輻射率減至最少。
-允許精確的楔形激光雷達束位于在約1和5度之間的被選擇角度上。
-允許具有約8mrad到2度圓形強度的較小擴展束-使SNR鑒別澳大利亞森林中到達幾百米的信號，且針對水平方向上500米的0.1視在反射比，通過獲取1000∶1的SNR來使其模型化。
-系統(tǒng)是便攜式的且能夠被提升至厚的林下葉層之上-通過GPS及所要求的姿態(tài)數(shù)據(jù)的定位現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5，其示例出基于地面的系統(tǒng)及機載系統(tǒng)，所述機載系統(tǒng)不同于(基于地面的)ECHIDNATM主要在于其額外的飛行管理系統(tǒng)和相機塊。ECHIDNATM硬件系統(tǒng)是按如圖6所示被鏈接的部件的組合。它具有不同的掃描模式，將不具有飛行計劃塊且不需要包括相機系統(tǒng)，雖然一個(數(shù)字的半球形的)是所優(yōu)選的。所述系統(tǒng)的詳細解釋和說明可見隨后詳細說明的第5.2節(jié)。
在控制和利用束大小和測距并結(jié)合掃描時的角度靈活性程度，以解決樹葉叢生的“盲點”效應(yīng)時，本發(fā)明利用多方向上掃描的激光雷達系統(tǒng)特征。ECHIDNATM掃描系統(tǒng)是靈活的且掃描通過整個半球。
軟件包括用于激光觸發(fā)的控制信號、掃描機構(gòu)的控制及反饋。需要的幾個模式包括-“地平緯圈”或恒定天頂角方位角掃描-螺旋掃描-非掃描模式-背景探測模式公知地是一些森林類型具有高度最高至2米的林下葉層，因此優(yōu)選地ECHIDNATM的頭部能夠延伸出這樣的林下葉層且收集周圍植物的數(shù)據(jù)。掃描系統(tǒng)具有精確的定位信息以允許產(chǎn)生被掃描區(qū)域的3D圖。
在利用角度靈活度、束大小和形狀以及測距分開地或組合地解決目標(biāo)方位和角度分布的“盲點”效應(yīng)時，本發(fā)明利用借助可變的束寬度和形狀的測深以及多方向掃描的激光雷達系統(tǒng)特征。
如果激光雷達是基于地面的，則有可能利用多角度和變化的束大小和形狀來對冠層測深。多角度激光系統(tǒng)已經(jīng)被用來測量總的冠層間隙(就象半球形攝影)，但是在此被考慮的ECHIDNATM設(shè)備將對全返回脈沖進行數(shù)字化、在半球及在“地平緯圈”掃描上靈活地掃描、以及(顯著地)利用可變的束寬度和形狀測深。這種“ECHIDNATM”系統(tǒng)從樹葉輪廓單獨地表征冠層角度分布的能力是非常強的且遠遠大于機載系統(tǒng)。兩者的結(jié)合便利于詳細的局部特征化以及區(qū)域性外推法。
即使對于樹葉元素的隨機冠層，從機載系統(tǒng)獲得的樹葉輪廓并不是理想的樹葉輪廓，而只是取決于樹葉角度分布及激光雷達束的指向方向的投影樹葉輪廓。
對于隨機的樹葉冠層，這可按如下被模型化。如果 是葉子的平均單側(cè)(one sided)面積 在模型應(yīng)用中的這個不確定性的解決必須通過使用其它知識或使用激光雷達測深的多個角度。ECHIDNATM系統(tǒng)使用多角度激光雷達測深，并且通過添加距離數(shù)據(jù)及使用變化的束大小和形狀，提供對用在半球攝影分析中的方法的非常強大的擴充。
ECHIDNATM最初具有兩個主要的束圖案，一個用于距離和數(shù)字化測量的圓形圖案，及用于等價relaskop測量和各向異性測量的第二矩形圖案。特別設(shè)計的光學(xué)裝置適合于利用同一激光的任何一個束圖案。
在控制和利用束大小和形狀與測距并結(jié)合返回脈沖強度的高速率抽樣、小脈沖寬度和適合的信噪比(SNR)以解決散射體密度與反射率之間折衷的“盲點效應(yīng)”時，本發(fā)明利用激光雷達系統(tǒng)的特征，即測量對納秒抽樣的返回蹤跡的強度、利用可變的束寬度和形狀進行測深并且以無線電頻率(RF)速率來捕獲且存儲數(shù)據(jù)。
校準(zhǔn)問題是要確定C(R)，如果信號源和接收器幾何形狀并不(例如)相符合，則特別是在近距離處該C(R)可取決于R。
通過做一些近似，有可能示出被轉(zhuǎn)化的視在樹葉輪廓的RMS誤差具有下述形式RMS1(r)=ρapp(r)ρvPgap(r)SNR]]>隨后一組澳大利亞土地覆蓋的模型被呈現(xiàn)，且它們的激光雷達返回被仿真。典型設(shè)備的若干SNR模型一直被用來繪制(plot)這些性能量度且限定對測繪澳大利亞森林較低層的有效設(shè)備的需求。
總的噪聲信號是探測器的電帶寬的函數(shù)。所述電帶寬通常被限制在高頻和低頻以產(chǎn)生通帶系統(tǒng)。系統(tǒng)性能取決于系統(tǒng)帶寬的選擇。
對信噪比計算的更詳細討論可見隨后詳細說明的第4.4.4節(jié)。
本發(fā)明，即本申請的主題將被看作具有超出用于評價植物冠層的公知系統(tǒng)和方法的若干優(yōu)點。這些優(yōu)點包括-用森林行業(yè)客觀的、可重復(fù)的和可證明的測量選項取代主觀的、基于操作者的繪圖抽樣(plot-sampling)。
-降低其它公知激光雷達系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及處理的成本和復(fù)雜性。
-允當(dāng)用來識別和測量森林勘查的復(fù)雜對象例如樹干樹冠及冠層樹葉的一個“篩”。
-為在公知的與下述相聯(lián)系的機載激光雷達系統(tǒng)中的“盲點”問題提供唯一的解決方案樹葉叢生、目標(biāo)方位及角度分布、以及散射體密度、目標(biāo)對象大小和反射率之間的折衷。
-克服測量較小的、占次要地位的樹木和灌木的公知航空攝影系統(tǒng)的困難和高成本。
-可以在單個測深系統(tǒng)中組合寬范圍的森林信息(如基面積)和生態(tài)信息(葉面積)。
當(dāng)然要意識到雖然通過本發(fā)明的示例性實例已經(jīng)做出上述說明，但是對于本領(lǐng)域普通工作人員很顯然地是，對其所有這樣的以及其它的修改和變化均被認為屬于本發(fā)明在此所闡明的廣泛范圍和領(lǐng)域之內(nèi)。
現(xiàn)在緊接著是對本發(fā)明在所有各個方面的詳細說明，且其是上述提到的共同未決申請的主題。
附圖的說明為了使本發(fā)明在所有各個方面可被容易地加以理解且進入實際效果，現(xiàn)在將參考所附加的附圖，所述附圖示例出本發(fā)明各個方面的優(yōu)選實施例，其中

圖1.1至1.11是示例根據(jù)本發(fā)明冠層激光雷達數(shù)據(jù)用于覆蓋和結(jié)構(gòu)測量的各個方面的圖形/繪圖/圖表；圖2.1至2.11是示例根據(jù)本發(fā)明通過增強機載數(shù)據(jù)，使用原始激光雷達數(shù)據(jù)來說明植物冠層的各個方面的圖形/繪圖/圖表；圖3.1至3.4是示例根據(jù)本發(fā)明對一些澳大利亞疏林的冠層激光雷達模擬的圖形/繪圖/圖表；圖4.1至4.8是示例根據(jù)本發(fā)明的SNR模型化的各個方面的圖形/繪圖/圖表；圖5是示例根據(jù)本發(fā)明的機載及基于地面的激光雷達系統(tǒng)主要部件的方框圖；圖6是示例被設(shè)計用于根據(jù)本發(fā)明的機載和基于地面的激光雷達系統(tǒng)的軟件的方框圖；以及圖7.1至7.8是示例如附錄A4所討論的對大氣參數(shù)和反射比加以解釋的圖形/繪圖/圖表。
方法及算法的說明1.使用冠層激光雷達數(shù)據(jù)用于覆蓋及結(jié)構(gòu)測量1.1激光雷達返回的模型及冠層測繪的蘊含為了從冠層得到植物輪廓和其它結(jié)構(gòu)信息，帶有距離函數(shù)Pgap(Z，θv)的方向性間隙概率提供了有關(guān)樹葉密度和角度變化的垂直冠層輪廓的有效數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過第二級函數(shù)Pgap(Zi，μi，Zv，θv)與這個函數(shù)相聯(lián)系的方差還提供這樣的數(shù)據(jù)，在植物冠層分析中所述數(shù)據(jù)目前未被開發(fā)-包括當(dāng)前基于激光雷達的數(shù)據(jù)。
這些與由傳感器所記錄的物理數(shù)據(jù)如何發(fā)生聯(lián)系是下節(jié)的主題。我們使用被校準(zhǔn)的數(shù)字化蹤跡并且發(fā)展了適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計。數(shù)據(jù)還將由光學(xué)遠程傳感數(shù)據(jù)來補充。經(jīng)配置的光譜數(shù)據(jù)被采用以提供一些植物類型和關(guān)聯(lián)信息-至少對于上及中層，并且提供對樹葉和背景反射比以及總體覆蓋分數(shù)的交叉校驗。假設(shè)光譜信道之一與激光相同。
1.1.1基本激光雷達/目標(biāo)反射-基于時間的方程式如果lambertian平面目標(biāo)被放置在距激光源距離R處與激光束正交，所述距離足夠大以致于部分束并不偏出目標(biāo)，則在時間s對沖擊信號(δ(0)＝δ0；δ(s)＝0 s＝0)的響應(yīng)(E′)的激光雷達方程式將為E'(s)=tA2ρCR2δ(s-2R/c)+e(s)]]>其中ρ是目標(biāo)反射率；tA是激光雷達與目標(biāo)之間路徑的大氣透射比；C是接收器光學(xué)裝置效率、接收器望遠鏡面積、量子效率等的混合；e(s)被假設(shè)成小且表示自然光、大氣反向散射背景等。
C的表達式是C＝ηt0AR其中to是接收器光學(xué)裝置的生產(chǎn)量AR是有效的接收器望遠鏡面積(其可以取決于到目標(biāo)的距離)η是探測器的量子效率C還可以被用來根據(jù)上述1/r2關(guān)系(其假設(shè)激光雷達束是窄的以及被反射束被漫射且由具有比漫射更窄FOV的望遠鏡來收集)模型吸收任何發(fā)送器/接收器束光學(xué)裝置表現(xiàn)中的任何一致差異。
由于對脈沖形狀(h(s))的下述卷積，激光雷達發(fā)送出一有限寬度脈沖形狀的結(jié)果是有效地“涂抹了”(smear)在距離上(實際地在時間上)的這個沖擊脈沖E(S)＝h(S)*E’(S)這樣，當(dāng)時間被轉(zhuǎn)換成如r＝c s/2的視在距離時，在目標(biāo)距離處的“尖峰”脈沖變成在視在距離內(nèi)的有限脈沖。利用這個轉(zhuǎn)換，被測量的信號E(r)將來自在視在距離內(nèi)實際目標(biāo)的“前面”及“后面”。
例如，脈沖卷積的效應(yīng)可以根據(jù)對來自離開標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的脈沖返回的全部數(shù)字化信號加以分析而得到確定。利用大氣激光雷達進行了檢驗，在這種情況下使來自立體目標(biāo)的反射比產(chǎn)生一個對卷積核心非常一致的表示。其在圖1.1中被示出，連同通過下述Rayleigh核心對脈沖的分析近似， Gaussian(高斯型)核心h(s)=ae-b(s-sn)2]]>以及被修改的Rayleigh核心 在這個實驗中其提供了對平均脈沖的良好擬合。
如圖1.1所示，被修改的Rayleigh模型是用于脈沖的一個良好模型，但是其并不解釋在脈沖尾跡中的效應(yīng)。在這種情況下高斯模型也是一個良好的模型，但是同樣它并不解釋尾部。在脈沖的尾跡區(qū)域不具有效應(yīng)的穩(wěn)定高斯型脈沖將是冠層激光雷達的理想特點。
通常取相對于設(shè)備中脈沖峰值功率出現(xiàn)的激光雷達中的時間量度，且峰值功率將被表示為E0。
1.1.2校準(zhǔn)及信噪比被校準(zhǔn)“遠程傳感”的基本問題是測量到目標(biāo)的距離R及反射比ρ。如果脈沖具有窄且陡的峰值并且目標(biāo)被完好地分開，則在距離(R)情況下任務(wù)相對容易。ρ雖然較難，但是它仍然是有價值的且值得進行。
校準(zhǔn)問題是來確定C(R)，如果信號源和接收器幾何形狀并不(例如)相符合，則特別是在近距離處C(R)可取決于R。一直存在許多說明這個幾何形式因子的理論和實際研究。在許多大氣激光雷達中僅在約100至300米以上的距離處系數(shù)C才安定下來。例如，如圖1.2所示公知的大氣激光雷達具有重疊函數(shù)k(R)(其中C(R)＝Ck(R))。
這個函數(shù)是靠這樣的事實而建立的，即接收望遠鏡和發(fā)送光學(xué)裝置并沒有被對準(zhǔn)。對于大氣測深它不成問題，因為100米對于重疊函數(shù)穩(wěn)定在1.0并不是重要的。然而，對于基于地面的冠層激光雷達這將是太遠了且源/接收器對準(zhǔn)必須要更接近些。盡管那樣，將存在可以通過工程設(shè)計被加以表征或去除的近距離效應(yīng)。然而，實驗證明如何為這樣的系統(tǒng)確定k(R)和C兩者。
獲得C(R)的表達式以及將tA和e(s)模型化允許數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成被稱為“視在反射比”的形式。這被定義(根據(jù)視在距離)為ρapp(r)=r2C(r)E(r)-eE0tA]]>對于窄脈沖或被解卷積的脈沖，這是與激光發(fā)射垂直的lambertian目標(biāo)的反射比，所述激光發(fā)射返回與在那個距離處所測相同的脈沖功率。脈沖寬度效應(yīng)的處理隨后將被考慮。
信噪比是對設(shè)備能力和性能的重要量度。在激光雷達信號中的主要噪聲源來自各種源。其中有1.在光子受限的脈沖信號中的量子噪聲2.背景輻射3.在大氣中的微紊流(主要是水蒸氣)4.在設(shè)備中的暗電流噪聲5.在設(shè)備中的熱噪聲(例如Johnson、Nyquist)由于量子統(tǒng)計和光子受限的發(fā)射以及在大氣中的微紊流所導(dǎo)致的噪聲的作用是這些測量類型的特殊特征。
任何設(shè)備設(shè)計階段的一個目的是估算作為信號和系統(tǒng)部件特征函數(shù)的設(shè)備信噪比(SNA)，以便于基于系統(tǒng)部件(包括放大器和光學(xué)系統(tǒng))的選擇可以定義偏差0和增益G的如下形式方程式
SNR＝(O+G*S)1/2或SNR＝O+G*Sn如果已知視在反射比或其被模型化，則給定距離的SNR可以被計算。這提供了開展基于SNR的設(shè)計的研究的手段，所述研究是針對我們將要測繪的冠層。這樣研究的實例被呈現(xiàn)在第3.3節(jié)。在這一點上目標(biāo)是模型化視在反射比，并且這將在下面加以討論。
1.1.3大的樹葉元素冠層模型冠層衰減了背景表面以上的信號，且將激光雷達數(shù)據(jù)散射回到接收器光學(xué)裝置中。在一個大的元素植物冠層中，如果信號(光子)通過間隙還殘存并到達樹葉元素，則返回信號還可以折回此路徑且因此到達探測器。即，激光雷達在回射點或熱點處正在測深。
更一般地，我們正在模型化的情形是由分散的散射對象所填充的透射介質(zhì)這樣的情形。假設(shè)介質(zhì)的透射是高的-如在大多數(shù)情況下的大氣，且目標(biāo)不是不透明的，但還可以是被鏈接且具有不同的散射特性的較小目標(biāo)的集合。實例是一棵作為樹枝、莖及葉子的集合的樹，但是在被稱為樹“冠”的總體區(qū)域內(nèi)葉子經(jīng)常叢生成“模塊”。
在這樣的系統(tǒng)中，光線的透射由間隙概率函數(shù)Pgap(z，μ)進行支配，所述Pgap(z，μ)是光線將在方向μ上傳播到距離z而不接觸對象的概率。它還是通常所說的在與對象不相交的方向μ上光線的長度分布函數(shù)。
在這些系統(tǒng)中，被適當(dāng)?shù)丶右耘渲玫牡孛婧蜋C載激光雷達可以傳感這個函數(shù)以及第二級函數(shù)Pgap(z1，μ1，z2，μ2)，所述第二級函數(shù)是在方向μ1和μ2及距離z1和z2上光線將不會與目標(biāo)相交的概率。通過使用各種大小和形狀的光線以及在許多方向μ上的測距，可以對所述第二級函數(shù)進行估算。
激光脈沖可以在一個方向(μ1)上被發(fā)送并在分開的位置和另一方向(μ2)上被接收。這樣的束將一直傳播經(jīng)過目標(biāo)域內(nèi)的間隙到達一點，所述點由μ1和μ2以及到達或離開對象已散射所述束的位置的傳播時間進行規(guī)定。所述束將必須再次通過在對象集合內(nèi)的間隙返回到接收器。雖然這個通用“雙靜態(tài)”情況是用于分析的潛在工具，但是在此被考慮的特定系統(tǒng)將是其中輸出脈沖和返回束被對準(zhǔn)的一個情況，即為“瞄準(zhǔn)的”激光雷達的情況。因為這是操作在“熱點”區(qū)域，其中從源可達到的目標(biāo)的所有點也是通過相同的間隙被探測器“可觀察”，所以它遵從Pgap(z，μ，z，μ)＝Pgap(z，μ)在這種情況下，激光雷達系統(tǒng)測量與間隙函數(shù)之間的關(guān)系是通過“第一接觸定理”。這是與目標(biāo)的第一接觸出現(xiàn)在距離z的概率，且可以被寫成PFC(z,μ)=-dPgap(z,μ)dz]]>這基本上是散射體在從源可達到的距離z處的截取面積。
根據(jù)間隔距離(距離)而不是時間來寫方程式，且假設(shè)上述所討論的校準(zhǔn)因子(C(r))是公知的，如果Pgap(r)是從零到距離r無碰撞的概率，則在距離r處樹冠的視在反射比的簡單模型可以被建立為ρapp(r)=r2C(r)E(r)-etA2E0]]>=ρvPFC(r)]]>=-ρvdPgapdr(r)]]>其中ρv是在激光雷達方向上樹葉元素的“有效”熱點反射比(在樹葉角度分布上被積分)，且可包括來自與束正交的樹葉小面的鏡面效應(yīng)和目標(biāo)方位。
從地面回來的信號將是ρapp(h)＝ρgPgap(h)這假設(shè)存在很少或沒有前向散射或者各個樹葉元素并沒有被很高度地透射。多個散射可引起時間延遲信號和從“地面以下”回來的信號。在大多數(shù)情況下及在大多數(shù)帶中，預(yù)計它們并不是很大。
圖1.3示出一組經(jīng)過北方森林區(qū)域從NASA SLICER測深所獲得的五個返回信號。脈沖寬度在右邊的地面返回中是非常清楚的，且在冠層中信號的衰減(升高到峰值返回之后)也被很好地加以示例。
激光雷達散射的大目標(biāo)模型是基于這樣的事實，即間隙概率函數(shù)對數(shù)的導(dǎo)數(shù)(或第一接觸定理)給出對殘存輻射的散射密度的量度。再次注意反射比處于回射點或熱點。甚至對于lambertian葉子，-特別對于其中角度測深對于模型化重要的ECHIDNATM，需要計算樹葉元素的有效橫斷面。
寫方程式的另一種方法是定義間隙衰減系數(shù)(或視在樹葉輪廓)l(r)=-1Pgap(r)dPgap(r)dr]]>=-d LogPgap(r)dr]]>冠層信息的解如下進行ρapp(r)=-ρvdPgap(r)dr]]>H(r)=∫0′ρapp(r′)dr′]]>=-ρv∫0′dPgap(r′)dr′dr′]]>=ρv(1-Pgap(r))]]>=ρvCover(r)]]>函數(shù)H(r)可以作為累加因子根據(jù)數(shù)據(jù)而得到計算。但公知地是ρapp(h)=ρXPgap(h)]]>=ρg(1-1ρvH(h))]]>其提供了反射比與樹葉輪廓之間的一致關(guān)系。即
ρapp(h)=ρg-ρgρvH(h)]]>為了針對間隙輪廓解決這一問題，通常假設(shè)(假定恒定的)樹葉和地面反射比之間的比率是公知的。對于傾斜地面，假設(shè)地面反射比由斜坡角度的余弦來調(diào)制。然后地面的反射比由上述方程式給出，且因此兩個反射比從數(shù)據(jù)中得到。利用這一假設(shè)，可以計算出ρs并因此還計算出ρv。
注意從此緊接著Cover(r)=1ρvH(r)]]>=H(r)H(h)+ρvρgρapp(h)]]>這樣在任何深度的Cover可以根據(jù)從樹葉返回開始起的樹高度來測繪。因此，可以對一個面積得到冠層結(jié)構(gòu)圖表繪圖。
對于冠層輪廓Pgap(r)=1-1ρvH(r)]]>=1-H(r)H(h)+ρvρgρapp(h)]]>其容易地從數(shù)據(jù)中被加以計算。
通過實驗性US系統(tǒng)(SLICER)所取的激光雷達數(shù)據(jù)的對應(yīng)間隙概率被示于圖1.4。
現(xiàn)在通過利用下述關(guān)系可以獲得所投影的視在樹葉輪廓
l(r)=-1Pgap(r)dPgap(r)dr]]>=-dLogPgap(r)dr]]>=ρapp(r)ρv-H(r)]]>然而，在其中被返回的信號小且因被在所述點以上的樹葉所衰減導(dǎo)致Pgap已經(jīng)變小的低SNR情況下，這可以潛在地變得不穩(wěn)定。這必須借助于(regularization)規(guī)則化以一滿意的方法被處理。
盡管如此，間隙輪廓Pgap(r)(見圖1.5)的提供是主要的成果且可以如下面所說明被用在進一步的冠層模型化中。
可以示出(見附錄1)假設(shè)在其中冠層和地面數(shù)據(jù)被加以表示的區(qū)域內(nèi)的校準(zhǔn)模型可以被表示為C(r)=C‾r2]]>其中C是恒定的，且如果假設(shè)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)收集單元中被輸出脈沖強度歸一化(這意味著測量脈沖功率)，則如果反射率是公知的且存在地面返回，則通過應(yīng)用同樣的方法可以再次獲得解。因此所述解顯然在許多情形下是相當(dāng)實際的。事實上，因為對于直至50米冠層及2000米飛行高度，因被r2歸一化導(dǎo)致的變化小，所以它也經(jīng)常被忽略-如同背景輻射和大氣透射。這與其中目標(biāo)被擴展于非常寬的范圍上的其它情況(如大氣激光雷達模型化)形成顯著的對照。
在此呈現(xiàn)的量“cover(r)”還已經(jīng)被稱為FHP或樹葉高度輪廓。然而，如同以這種形式被導(dǎo)出那樣，它及視在樹葉輪廓能夠針對通用冠層而不僅是隨機的葉子冠層被導(dǎo)出且被模型化。
1.2模型的實施1.2.1垂直分層的隨機樹葉模型間隙概率的簡單模型是垂直分層的隨機樹葉模型。在這種情況下，樹葉輪廓簡單地便是被表示為F(r)的樹葉面積密度(每單位體積的總計樹葉單側(cè)面積)，且冠層被假設(shè)成均勻地在水平方向上延伸。
在這種情況下讓1(r)成為被假設(shè)成隨機且獨立地分布的距離r處的每單位體積散射體的投影橫斷面面積。
基本上，l(r)＝λ(r)a(μv)其中λ(r)是散射在距離r的密度且a(μv)是針對入射及視角μv(在這種情況下其為天底視野)的樹葉平均橫斷面面積作為另一選擇地，l(r)＝G(μv)F(r)/μv其中G是Goss(羅斯)G-函數(shù)。
如果樹葉元素被假設(shè)成非常小以致于阻塞可以被忽略，則我們可以簡單地寫成Pgap(r)=e-∫0′l(s)ds]]>ρapp(r)=-ρvdpgapdr]]>=ρvl(r)e-∫0′l(s)ds]]> 如果L(r)被定義成累加的投影橫斷面面積L(r)=∫0′l(s)ds]]>則Pgap(r)＝e-L(r)ρapp(r)＝ρvl(r)e-L(r)ρupp(h)＝ρxe-L(h)在這種情況下，冠層間隙衰減系數(shù)或樹葉投影輪廓僅是遞增的葉子面積。
注意到-Log Cover(r)＝-Log(1-Pgap(r))＝L(r)在實際情況下，假設(shè)樹葉將不被分布到一點而是可能被分布到一有限層。如果L是至層i的累加的有效橫斷面面積Li=Σj-imiailj]]>則方程式變成 Hi′=Σj=1iρapp,j=ρv(1-e-Li)]]>ρapp.A=ρge-LN]]>注意如果存在N層則存在如以前一樣的一致性關(guān)系HN′=ρv(1-e-LN)]]>=ρv(1-1ρgρapp.h)]]>這樣，同以前一樣，如果反射率被假定或為已知，則數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)化以取得Pgap(r)和樹葉輪廓。脈沖解卷積和樹葉輪廓估算的規(guī)則化問題將隨后被提出。
水平隨機的模型具有這樣的特性，即實際的投影樹葉輪廓與視在樹葉輪廓相同。然而，水平間隙及聚集成冠及樹葉叢既影響不同發(fā)射之間的變化輪廓也影響實際和視在樹葉輪廓之間的關(guān)系。這將在后面被更詳細地加以討論。
1.2.2束發(fā)散性及按比例縮放問題迄今為止，激光雷達脈沖的時間分辨率已經(jīng)被加以考慮，而束發(fā)散性或光點大小并沒有被考慮。顯然地，束發(fā)散性越大，則地面上的光點大小越大，且將進行越水平的冠層平均。
激光雷達散射的大目標(biāo)模型是基于這樣的事實，即間隙概率函數(shù)的導(dǎo)數(shù)(或第一接觸定理)給出對殘存輻射的散射密度的量度。
在冠層的激光雷達中，束還被擴展于有限足跡上。這對應(yīng)于在從源點開始的一角度范圍上展開的一捆或一錐形“光線”。每個光線可透入冠層到達不同深度且從那個點返回能量。由此這個較寬束的效應(yīng)將產(chǎn)生擴展于眾多時間點上的激光雷達返回“波形”。
基于第一碰撞概率的基本方程式提供了預(yù)計的返回分布。接近零寬度的單“光線”將具有一個單返回，其為根據(jù)第一接觸定理的圖畫(drawing)。在有限束內(nèi)每個光線可以被看作來自這個分布的抽樣，從而允許被測量的第一接觸提供對在上面模型化的時間內(nèi)預(yù)計的返回分布的估算。為了測量這個分布，系統(tǒng)需要以足夠高的密度記錄隨時間的激光雷達返回強度以解析返回。
在返回的時間結(jié)構(gòu)與束寬度之間存在明顯的相互作用。單個光線將具有來自第一碰撞的單個返回。如果目標(biāo)大則甚至有限束將正常地具有一單個返回。例如，甚至一個非常寬的束將具有一個來自垂直于所述束的壁的單個返回(僅通過輸出脈沖擴展在時間上擴展)。
返回的時間擴展事實上是目標(biāo)大小和形狀及分散以及對象的“不透明度”的函數(shù)。身為立體的對象將給出窄的返回且作為較小對象集合的對象將給出分散的返回，其中“群集”表明對象本身。利用這個響應(yīng)是在冠層激光雷達中的一個機會。
從數(shù)學(xué)上，所述關(guān)系將取決于對于任何距離z的第二級(相關(guān))函數(shù)h(δμ)＝Pgap(z，μ0，z，μ0+δμ)其中μ0是在束中心的光線方向且δμ橫越所述束且在路徑上它還“按比例縮放”。
例如，如果對象相對于束大小是大的，且具有相當(dāng)?shù)膶ο箝g間距，則波形將具有對應(yīng)于這些目標(biāo)的分開的返回簇。在所述簇內(nèi)的擴展將取決于對象內(nèi)結(jié)構(gòu)，但經(jīng)常是分散的。如果對象相對于束大小是小的，則返回將是多重的(或接近連續(xù)的)且根據(jù)目標(biāo)的局部密度在時間上被擴展。所述第一情況的實例是被填充有葉子的樹冠由冠層激光雷達來傳感且所述第二情況的實例是大氣測深激光雷達，其中目標(biāo)(大氣粒子)甚至相對于非常窄的束總是小的。
在地形激光雷達中，束是小的，以便于對于許多冠層將存在來自單發(fā)射的相對少的返回。然而，如果所述束甚至相對于葉子和小枝是小的，則所需要的覆蓋范圍密度非常高，并且如果所述束被增寬，則來自冠層的許多更加時間分散的返回將屏蔽地形信號。
輸出脈沖的時間擴展、束寬度及記錄器的抽樣速率全部需要被精心地模型化，以允許冠層結(jié)構(gòu)信息的推導(dǎo)或甚至于在存在上層林冠時有效地測量地形。在束寬度和被測深的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的相互作用不僅是對第一碰撞概率平均的手段，而且是冠層激光雷達有潛力獲取和開發(fā)的信息。
1.2.3脈沖寬度和解卷積如果背景是一個平坦的lambertian表面，則來自其的返回信號將反映激光雷達脈沖的形狀和寬度。激光雷達脈沖的寬度隨著設(shè)備而變化，且FWHM(全寬度一半最大值)確定設(shè)備的距離分辨率。即，激光雷達難以分辨由比等效于FWHM的距離小的距離所分開的目標(biāo)。利用本發(fā)明的VSIS，這個距離是1米的一半或約為3納秒的脈沖寬度。這個信號的數(shù)字化可以降至1納秒的一半。
來自地面的返回信號的寬度和形狀可以通過微起伏以及還通過斜坡進行顯著的修改。斜坡效應(yīng)對于較大的光點大小則較大，這是較小光點大小有利于DTM測繪激光雷達的另一原因。例如，如果傾斜角度為θ且光點大小為d米，則脈沖的寬度將被增加w′＝w+d Tanθ即，如果d為25米，則1∶10的傾斜將顯著地增加脈沖寬度。
圖1.6示出一組來自SLICER數(shù)據(jù)的地面返回。公知地是SLICER脈沖形狀并不非常穩(wěn)定-但是，在這些繪圖中存在明顯的形狀一致性，所述繪圖也包括作為脈沖形狀模型的Rayleigh加上“非對稱”高斯模型。
通過“解卷積”意味著轉(zhuǎn)化對將要通過具有實際脈沖波形的非常陡的脈沖獲得的信號的“卷積”。解卷積可以在頻率域中通過傅立葉變換或在時間域中通過最小二乘方進行。
即，如果零時間被取作激光脈沖的峰值，則信號(在去除背景噪聲之后)可以被模型化成為P(r)＝h(r)*S(r)其中h(r)是脈沖形狀函數(shù)以及P(r)是實際的所測量的返回功率例如，已經(jīng)看到對于用于初始實驗的激光雷達，h的被修改的Rayleigh模型合理地具有下述形式 所述解可以使用傅立葉或時間域方案。在此贊成時間域，因為數(shù)字化步驟和長度限制了用于數(shù)據(jù)的離散傅立葉表示的Nyquist和基頻，因此有限脈沖被嚴(yán)重地混淆。同樣，所變換的脈沖將在光譜的高頻部分是小的且除非施加了一些規(guī)則化否則解卷積將是不穩(wěn)定的。
時間域版本的“求積分”(quadrature)方案找到了一個濾波器以便于達到良好的近似Pi=[h*s](ri)=Σj=-kkhkS(ri+j)]]>其中ri是第i個抽樣距離。
如果迫使實際信號S在樹冠以上且在地面以下為零，則這可以被寫成可為S解出的一組方程式。
HS＝PS＝H-1PS的解也不是沒有噪聲且原因與在傅立葉域中實際上幾乎一樣。因此，可以應(yīng)用一些規(guī)則化。
規(guī)則化的一個方法是利用具有小得多的寬度(例如1納秒而不是10納秒)的新卷積函數(shù)來僅估算被卷積的S。這起到濾出非常高的頻率效應(yīng)的作用且將穩(wěn)定所述解。如果這個卷積被寫成K，則這意味著估算KS以便于KHK-1(KS)＝KP(KS)＝(KHK-1)-1(KP)其中在P上的K的運算起到高頻噪聲的預(yù)濾器作用。
時間域方法的主要優(yōu)點在于h的有限表示及對卷積的求積分近似的控制。對規(guī)則化的更多控制也是可能的。例如，為了規(guī)則化上述解可需要L(KS)＝‖(KHK-1)(KS)-(KP)‖是小的且一些規(guī)則化如KS或一些KS導(dǎo)數(shù)是小的。
存在開發(fā)濾波器加權(quán){hk}及對方程式求解的若干時間域方案。以其通用形式，逆卷積(或去卷積)問題是從滿足下式的一個被觀察的函數(shù)ρ(t)來估算函數(shù)s(t) 其中_(t)是分析上已知的函數(shù)-在這種情況下為激光雷達脈沖，且ε(t)是噪聲。
已經(jīng)被用于良好效應(yīng)的方法是利用插值函數(shù)如具有規(guī)則化的樣條。
通過一組時間點(樣條結(jié)，{ti|i＝1，n})的插值樣條使s(t)被近似，且由滿足下式的其基數(shù)系列函數(shù)Mj(t)來表示Mj(ti)＝δij它遵從s(t)可以被表示為s‾(t)=Σj=1nsjMj(t)]]>
使 則結(jié)果是對問題的最小二乘方解，所述問題通過利用減少數(shù)量的樣條結(jié)或通過平滑下述形式的函數(shù)可以被規(guī)則化 =Σj=1nhkjsj+ϵk]]>在此的主要元素是分析性卷積、在地面及冠層頂部的估算邊界以外對零返回的強加(imposition)以及規(guī)則化。然而，加權(quán)(hkj)可并不是正的且可以存在通過后濾波來去除的高頻率效應(yīng)。采用基于噪聲統(tǒng)計的精心且自適應(yīng)的規(guī)則化。
1.2.4通過SNR模型化對激光雷達系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)說明如上所指出的，被校準(zhǔn)的激光雷達系統(tǒng)可以被轉(zhuǎn)換成“視在反射比”或在給定距離處的平坦標(biāo)準(zhǔn)(lambertian)目標(biāo)將必須產(chǎn)生同樣的返回信號的反射比。類似地，上面所說明的模型也可以根據(jù)視在反射比被加以定義和討論。
一系列不同土地覆蓋或模型化的土地覆蓋及森林的視在反射比可以提供一種用于規(guī)定且設(shè)計機載或基于地面的測量和測繪所需要的激光雷達系統(tǒng)的手段。在此將討論機載系統(tǒng)。
如前面所說明，通過根據(jù)其信號水平與噪聲的比率或信噪比(SNR)進行檢驗或模型化，可以對設(shè)備進行表征。噪聲與信噪比兩者均取決于信號水平，這樣對于接收望遠鏡視野上的給定功率，將存在一個SNR值且通過將信號水平除以SNR則也將存在可計算的RMS噪聲水平。
對于在給定海拔高度、在白天的給定時間內(nèi)借助規(guī)定大氣的飛機飛行，將存在被良好定義的大氣透射比及背景輻射率，以便于到達到冠層的距離的信號將僅取決于視在反射比水平以及(因此)對于在那個距離處的每個視在反射比值將存在一個SNR值。
則它遵從如果飛行時間、高度及大氣被加以規(guī)定且作為視在反射比函數(shù)的SNR的模型如通過下式被給出(被模型化)SNR=a+bρappn]]>則對于每個模型冠層還可能繪制出作為地面以上高度的函數(shù)的RMS噪聲和SNR。
這提供了對我們對冠層中的層進行求解的能力的有用分析-特別地在存在濃密上層林冠時。
然而，它并不是提供對冠層內(nèi)信息的可解析性(resolvability)的直接分析。為此，采用用于轉(zhuǎn)化到視在樹葉輪廓的模型l(r)=-1Pgap(r)dPgap(r)dr]]>=ρapp(r)ρv-H(r)]]>通過做一些近似，有可能示出被轉(zhuǎn)化的視在樹葉輪廓的RMS誤差具有下述形式RMS1(r)=ρapp(r)ρvPgap(r)SNR]]>隨后將呈現(xiàn)一組澳大利亞土地覆蓋的模型且它們的激光雷達返回被加以仿真。已經(jīng)采用典型設(shè)備的若干SNR模型來繪制這些性能的量度并限定對測繪澳大利亞森林的較低層的有效設(shè)備的需求。
1.3先進的產(chǎn)物-指數(shù)、層和空間方差上面所說明的模型和方法表示用于從機載激光雷達測繪植物冠層的一組基礎(chǔ)產(chǎn)物。
然而，如前面節(jié)所說明，存在許多機載激光雷達在冠層中“看不見”的因素。它們包括樹葉角度分布、樹葉聚集成冠以及存在于樹干與樹葉之間的關(guān)系?？梢詫@些、或(不管這些)重要冠層參數(shù)進行推斷，其中森林系統(tǒng)示出垂直(視在)樹葉輪廓與明顯的參數(shù)之間的高水平相關(guān)性。所開發(fā)的關(guān)系與由林務(wù)官所使用的異速生長關(guān)系相類似。作為另一選擇地，可使用先進的模型化來解決這些因素中的一些。
1.3.1冠層指數(shù)基于激光雷達波形、間隙概率曲線或視在樹葉輪廓可以開發(fā)出指數(shù)。在這種指數(shù)的公知實例中，與鳥物種多樣性有關(guān)的指數(shù)被開發(fā)出。如果1i是在第i層中的視在樹葉，則pi=liΣj=1Nlj=liL]]>樹葉高度多樣性(FHD)指數(shù)被定義為FHD=-Σi=1NpiLogpi]]>樹葉輪廓被分成三個層，即0-2’、2-25’和25’以上。研究區(qū)域的關(guān)系存在于指數(shù)與鳥物種多樣性(BSD)之間，類似地所述鳥物種多樣性被定義成大量物種當(dāng)中鳥的分布。(事實上，經(jīng)發(fā)現(xiàn)BSD＝2×FHD良好地擬合于數(shù)據(jù))。
實際上，這表達了這樣一個觀念，即單樹層將僅吸引很少的物種，而多層冠層將吸引許多物種。這可根據(jù)不同的物種利用不同的層而得出。然而，不管其生態(tài)意義如何，它的確表達有關(guān)結(jié)構(gòu)多樣性的重要事實。它與NVIS(國家植物清查系統(tǒng))的總體結(jié)構(gòu)類別良好地擬合。
被稱為“二次平均冠層高度”(QMCH)的量被公知且定義為QMCH=(Σimaxhpihi2)1/2]]>其中除了在此樹葉“倉”為1米厚以外pi同以前一樣且hi是層的中點。相對于在輪廓不同水平處的視在樹葉分數(shù)，最大、平均及中央冠層高度以相類似的方法被定義。
另一公知的指數(shù)作為在激光雷達波形(包括地面返回)中地面以上的中央高度已經(jīng)被導(dǎo)出。顯然地，覆蓋越低，則指數(shù)越低。在一些方法中，這個指數(shù)與高度乘以覆蓋有關(guān)，其再次經(jīng)常與高度乘以基面積-或原木體積良好地相關(guān)。然而，顯然也存在結(jié)合進這個指數(shù)當(dāng)中的相當(dāng)大的復(fù)雜性。
指數(shù)的推導(dǎo)及利用將隨著數(shù)據(jù)的增加和經(jīng)驗的增長而發(fā)展。盡管如此，以模型化和轉(zhuǎn)化形式的數(shù)據(jù)判讀是吸引人的且我們所擁有的對這樣產(chǎn)物的選項將隨后被加以檢驗。
1.3.2識別且測繪冠層的層提供初始(可能地被規(guī)則化)樹葉輪廓及間隙概率的抽樣可以被看成數(shù)據(jù)判讀中的初始步驟。利用樹葉輪廓作為對其垂直LAI分布的量度，清楚地是如同在大多數(shù)澳大利亞本土植物覆蓋中所出現(xiàn)的那樣，在非連續(xù)的冠層和混合樹木和灌木的真實世界中，將數(shù)據(jù)作為隨機且獨立的分層的冠層加以判讀是不夠的。
在叢生的冠層中，冠之間的衰減將是低的且在冠內(nèi)的衰減是高的。結(jié)果是，因樹葉被“隱藏”在冠的深度處，視在樹葉輪廓的樹葉密度通常是低于實際輪廓的樹葉密度。因此，優(yōu)選地從數(shù)據(jù)檢索冠層的冠及叢生特性，以正確地估算樹葉。
冠層異質(zhì)性的另一結(jié)果是數(shù)據(jù)的方差，其源自樹葉被叢生成冠以及樹木被叢生成叢。這意味著成組的激光雷達發(fā)射必須被組合以提供判讀。但是合計的數(shù)據(jù)還趨向于消除垂直分層的冠層與較逼真模型之間的區(qū)別，其中所述較逼真模型具有樹冠及由樹而不是由葉進行的分層。因此，空間變化和單獨的垂直發(fā)射之間的組合使用看起來提供了異質(zhì)性冠層中的最佳策略。
對層的定義及其從激光雷達數(shù)據(jù)中抽取的經(jīng)驗方法是從顯然同質(zhì)的區(qū)域中合計發(fā)射(如由其它形式的遠程傳感所定義，如同時獲得的多光譜圖像)且擬合描述每層的函數(shù)。然后所述層可適合于每個發(fā)射以取得層強度的局部變化。
一個這樣的函數(shù)是Weibull分布。對于具有最大高度H且移向地面(z)以上的高度而不是距離的單層，這個函數(shù)將累加的樹葉輪廓模型化成為
L(z)=a(1-e-b(1-z/H)c)---0≤z≤H]]>Pgap(z)＝e-L(z)通過精確的微分法其可對具有單峰值的1(z)單輪廓進行模型化l(z)=abcH(1-z/H)c-1e-b(1-z/H)c]]>通過選擇若干層，這組函數(shù)可以對大多數(shù)輪廓進行模型化-但是在一個或兩個之后其通常變得不適定(ill-posed)，從而不能擬合這些函數(shù)。例如如果存在N個層0≤H1≤H2≤...≤HN＝H則所述模型可以寫成(其中若t≤0則tφ＝0) qi≥0---Σi-1Nqi=1]]>層的識別顯然地要加以當(dāng)心且其涉及混合的線性和非線性模型化。然而，將這個方法應(yīng)用于在一區(qū)域或林段(stand)上被合計的數(shù)據(jù)以建立有效的兩或三層說明(像Camahan或NVIS結(jié)構(gòu)模型)可以導(dǎo)致將冠層的初始全面描述變成對可以被局部判讀為第二步驟的主要林段及層的描述。
即對于單輪廓，a和qi值可以被轉(zhuǎn)化，只是具有它們是非負的限制條件。然后這些可以被用來判讀層覆蓋。這是可能的，因為根據(jù)前面我們已經(jīng)說明的工作，Weibull分布具有有益的判讀?？紤]到單層并且查看Weilbull分布的Pgap(0)，看出Pgap(0)=e-o(1-e-b)]]>則
a＝λA＝CADCC＝1-e-CAD＝1-e-ob＝G(1)LwCF＝1-e-b其中CAD是冠面積密度(Crown Area Density)、CC是冠的覆蓋且G(1)和Lw在附錄2中將被討論。
即數(shù)據(jù)可以根據(jù)冠覆蓋以及投影的樹葉覆蓋被加以判讀。有利的信息產(chǎn)物如層高度及層平均高度是從由此擬合的模型得到的。
例如，通過利用在前面實例中的相同數(shù)據(jù)集，如圖1.7所示通過對SLICER發(fā)射進行平均，可以經(jīng)常獲得穩(wěn)定的間隙輪廓。
在這些行之間就分層以及覆蓋兩者方面存在可觀的變化。然而，為了示例所述方法僅擬合了總體集總平均輪廓(overall lumpedaverage profile)。
圖1.8示出將三個Weibull函數(shù)擬合于數(shù)據(jù)的結(jié)果。
被標(biāo)注為“Pg-m1”的輪廓是一個擬合于上部冠層的單個Weibull模型。清楚地它并不為林下葉層提供良好的模型。
圖1.9示出所涉及的近似累加樹葉輪廓L(z)的Weibull函數(shù)。
三個組成以及對上部冠層進行優(yōu)化的單個Weibull函數(shù)被示出。小的近地面組成被假設(shè)成未良好校正因地面脈沖的解卷積所造成影響的輪廓的假象。
圖1.10示出所得到的視在樹葉輪廓。
被標(biāo)注為FP-m2的曲線是組合的模型，其排除了被認為是地面脈沖假象的小的近地面組成。被標(biāo)注為FP_m1的曲線是對上冠層的單個Weibull模型的優(yōu)化模型。
清楚地，所述模型良好地擬合?？梢蕴砑觾蓚€更多的組成(一個是露出的樹木的小密度且另一個是中冠層的層)。因相當(dāng)不同的發(fā)射的合計導(dǎo)致這些存在于當(dāng)前數(shù)據(jù)集中。實際上，來自類似空間區(qū)域(激光雷達的估算林段)的數(shù)據(jù)將被用來建立分層。
利用Weibull模型與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息之間的上述關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致下述表

看起來主要層(L1或L1′)的判讀是可靠的，但是對于其它兩個(L2和L3)PFC將是具有相對不穩(wěn)定的a和b的主要輸出。L3多半不是植物。然而，注意這個方案并不提供任何有關(guān)冠大小及密度的信息，且還必須使用其它方法來獲得它們。
對不連續(xù)特性如冠大小、分層、高度統(tǒng)計、相對豐富的生長形式和逐層的覆蓋以及樹類型的估算顯然是比提供結(jié)構(gòu)圖表和視在樹葉輪廓重要得多的成果。然而根據(jù)本發(fā)明可獲得地區(qū)區(qū)域的林段特性如逐層的冠的大小和叢生及間隙度。特別地，所述數(shù)據(jù)提供了作為高度的函數(shù)的間隙度和群集的統(tǒng)計。這對于圖像方差研究是非常強有力的數(shù)據(jù)。作為高度的函數(shù)的方差與作為高度的函數(shù)的樹葉密度之間的關(guān)系是特別有價值的信息。
1.3.3使用間隙模型用于非連續(xù)冠的冠層或者作為緊跟著層的識別的第二步驟，或者直接地來自數(shù)據(jù)，可以由簡單的布爾模型或Li Pgap模型來提供一個更詳細的基于冠的模型?？梢詫淙~聚集成冠以及樹高度的變化考慮進去。然而，它基于一個非常簡單的冠層結(jié)構(gòu)且這個模型必須被擴充且加強以便于能夠說明在澳大利亞常見的非連續(xù)冠層類型的間隙概率特征。此時存在與激光雷達數(shù)據(jù)一起使用的兩個主要間隙模型。隨后是這些的簡要說明。
1.3.3.簡單化的整個層間隙模式簡單的間隙模型可以基于如利用冠層的Walker和Hopkins描述現(xiàn)場測量的被分層的冠層。在這個簡單模型中假設(shè)一檢驗光線將碰撞在任何層內(nèi)的至多一個冠且所述層可以被單獨地對待。這對林地和疏林及接近垂直視角是合理的，但是對于處在傾斜視角的濃密、高大的冠層并不合理。
為了簡化起見，假定在地面上僅存在一個樹層且投影在背景上的樹“中心”的密度為λc。同樣，假設(shè)樹冠是如此濃密以致于它們有效地為不透明且在背景上來自方向μ的平均冠投影面積是A(μ)。則對于整個冠層Pgap(μ)=e-λCA(μ)]]>其中A(μ)＝A/μ′其中A是垂直投影的冠面積且μ′＝cosθ′Tanθ′=Tan(TDTan-1θ)]]>T為冠的厚度且D為冠的直徑。
這示出對于這樣的冠層，并不是葉子角度分布而是冠的形狀(T/D)決定間隙概率。然而，顯然地冠通常是開闊的且“填充”有葉子而不是不透明的。所使用的簡單擴充是要寫出Pgap(μ)=e-λCA(μ)(1-e-λLAL(μ))]]>其中λL是在單個冠內(nèi)葉子的投影密度且AL是在來自方向μ的水平表面上葉子的平均投影面積。
寫這個模型的另一個方法是Pgap(μ)=e-λCA(μ)(1-Pgap.W(μ))]]>其中Pgap.w(μ)是在所述方向上在冠內(nèi)的間隙概率。這擴充了以前得到的垂直視野結(jié)果。如果冠被模型化為一個填充有葉子的體積，而葉子面積的體積密度為F，則我們可以作為近似寫下
Pgap.W(μ)=e-G(μ)Fs‾(μ)]]>其中G是羅斯函數(shù)且S(μ)是在方向μ上通過冠的平均距離。
更正確地(但是更難以得到)是Pgap.W(μ)=∫crowne-G(μ)Fs‾(μ)P(μ,s)ds]]>其中ρ(μ，s)是在方向μ上通過冠的長度的分布函數(shù)。這個平均值的表達式被導(dǎo)出用于附錄2中的垂直視野。
將葉子填充的冠模型化為其中具有“孔”的不透明冠的這個簡單模型示例出間隙概率如何成為聚集成冠、冠的形狀及在冠中葉子的量及角度分布的函數(shù)。這可被擴充到獨立樹的多個層且與從前所討論的當(dāng)視野垂直時的PFC模型相吻合。
然而，當(dāng)建議所述模型時，它僅提供基于地面的半球形攝影或總間隙激光雷達的近似模型，而并不提供作為冠內(nèi)位置(即距離)函數(shù)的Pgap(除非它是按主要層)。其主要局限是其假設(shè)，即至多僅一個冠被截斷且被應(yīng)用到整個冠層-或僅應(yīng)用到逐層的冠層中。已知一個更佳的近似，其將重疊冠及冠投影面積加以考慮。
然而，為了獲得完全通用的函數(shù)，有必要對從將在冠層內(nèi)的一個特定方向上到達冠層內(nèi)某一深度的路徑長度進行模型化。這是公知的且為恒定大小但高度變化的樹的單層提供一個有效的模型。
1.3.3.2通用的間隙模型在上面提及的擴充模型中，假設(shè)冠層被描述成隨機分布的樹冠的集合，所述樹冠具有水平冠半徑r和垂直冠半徑b及居中在高度h1和h2之間(當(dāng)冠的上及下邊界在地面之上被居中時)的球形形狀。冠的計數(shù)體積密度λv等于λv=λh2-h1]]>其中λ是莖的計數(shù)密度。
在冠內(nèi)假定存在樹葉的隨機分布，以便于間隙概率被分開成取決于冠間間隙和冠內(nèi)間隙的兩個效應(yīng)。即，檢驗光線將或者并不碰撞冠的體積或者通過碰撞至少一個冠但是卻穿過冠內(nèi)間隙而透入到一給定深度。
對于布爾模型(冠的中心以Poisson分布而被分布)，冠間的間隙概率可以寫成P(n=0|h,θv)=e-λvVr]]>其中n＝0表明冠“碰撞”的數(shù)量為零h是到光線透入處的深度θv是視野天頂角或檢驗光線的天頂角以及Vr是從冠的頂部到h的具有半徑為r的束的投影圓柱體積冠內(nèi)間隙概率是復(fù)雜的，因為通過冠的路徑長度是隨機的，且可以通過或進入到不只一個冠。如果冠內(nèi)的路徑長度被表示為s且冠內(nèi)衰減被模型化成布爾模型P(s)=e-τ(θv)s]]>其中τ(θv)＝k(θv)Fa其中k(θv)是用于視角θv的葉子面積投影因子Fa是樹葉體積密度冠內(nèi)間隙概率可以根據(jù)路徑長度和衰減被寫成P(n>0|h,θv)=∫0xP(s|h,θv)e-τ(θv)sds]]>它遵從對于冠及樹葉模型的這個特殊情況，可以采取對間隙概率函數(shù)的近似。這可被用在對半球攝影或太陽光的透入或冠層結(jié)構(gòu)對反照率的影響的分析中-以及用在對激光雷達數(shù)據(jù)的判讀中。
對這個模型存在一系列擴充。一個是如在測繪澳大利亞植物中已經(jīng)做到的將冠層分成層，且第二個是將在層(或者至少在中間層)中的樹木和灌木視為若干形態(tài)類型中的一個。第三個擴充可是允許冠大小也變成隨機的。當(dāng)這些-至少頭兩個-都就位時，可得到與澳大利亞植物結(jié)構(gòu)描述相容的間隙概率的完整模型，其更好地概括了由上面所討論的現(xiàn)場工作所獲得的數(shù)據(jù)。
1.3.4作為距離和光點大小函數(shù)的發(fā)射方差從發(fā)射到發(fā)射將存在自然的變化和噪聲。利用附錄3的布爾模型及上述提及的方法，有可能解釋一些自然變化及其與光點大小的關(guān)系。這個變化還可以被用來導(dǎo)出先進的冠層參數(shù)。
估算的間隙概率函數(shù)可以被用來提供在距離r處的厚“片段”內(nèi)樹葉的碰撞以及樹葉之間間隙的概率。采用附錄3的符號，在距離r處的片段內(nèi)的孔或間隙的比例可以寫成q(r)＝e-l(r)且1-q(r)是在將光線散射回到設(shè)備內(nèi)的片段內(nèi)樹葉的投影比例。
在樹木和灌木的冠層中，樹葉將被叢生成冠，以便于對于任何給定發(fā)射所述“片段”將由圓盤狀樹葉叢的組成。因此由激光雷達光點相交的樹葉的比例將發(fā)生變化且是樹木密度、冠大小和光點大小的函數(shù)。
與這些變化相關(guān)的模型是公知的。對于相同的樹葉平均量，與如果樹葉被隨機分散或叢生成大數(shù)量的小簇相比較，每單位面積上叢生成少許大的冠將產(chǎn)生較大的方差。
當(dāng)然，在不同水平上片段的方差將并不是獨立的。因此，垂直或水平空間相關(guān)性(或變化記錄圖)及它在激光雷達數(shù)據(jù)中引起的方差提供了在各種層內(nèi)樹木和灌木的叢生效應(yīng)的強有力指標(biāo)。
在下面的實例中，空間平均的效應(yīng)被呈現(xiàn)，假設(shè)它獨自被由叢生所引起的方差來解釋。用來估算叢生因子且因此校正實際和視在樹葉輪廓之間差異的空間方差的使用提供了先進的產(chǎn)物。
因此在此所說明的處理中的一個本發(fā)明方面在于其使用由靈活且變化的束寬度的設(shè)備所收集的變化數(shù)據(jù)。冠層激光雷達的較大束寬度并不僅是關(guān)于對空間方差的平均或降低。隨著變化的束大小和形狀而發(fā)生的變化提供了信息，且在硬件上類似于在附錄3所概述的數(shù)字形態(tài)基本運算。
1.3.5限制情況判讀地形激光雷達數(shù)據(jù)在非常小的光點大小的限制中，垂直以及水平方向上的方差將非常高。然而，在地形激光雷達的情況下急切找尋這個方差，所述地形激光雷達被用來測繪地形標(biāo)高，其中盡可能多的碰撞到地面上的發(fā)射被用來繪制土地表面的蹤跡且建立“數(shù)字地形模型”(DTM)。
地形激光雷達通常具有小的光點大小和處于非常高速率的脈沖，以在地面的給定小塊上取得非常高密度的窄束抽樣。為了獲得這個高密度，這種設(shè)備經(jīng)常飛行在具有精確GPS和INS系統(tǒng)的直升飛機上，以定位地球表面上的光點。通常，地形激光雷達記錄了第一和最后重大的返回而沒有校準(zhǔn)。距離可以從返回的尖峰被加以估算，因為單獨的返回通常是分開和離散的。
通過估算最后重大返回下面的“包絡(luò)”、消除反常值及隨后將數(shù)據(jù)插值到DTM中，地形表面被加以測量。作為可供選擇地，“DTM”的“以前”估算可以被用來消除反常數(shù)據(jù)且對精確表面模型進行導(dǎo)向目標(biāo)追蹤。在澳大利亞Eucalypts的垂直定向且開闊的冠層中，甚至就冠覆蓋而言的相當(dāng)濃密的森林冠層下，合理的期望將是得到許多地面返回且可以估算精確的DTM。
在森林中所操作的地形激光雷達的許多第一返回是來自冠層元素的散射事件。用于冠層測量的目的，這已導(dǎo)致對數(shù)據(jù)的調(diào)查。如果冠層覆蓋、高度和結(jié)構(gòu)可以從地形激光雷達數(shù)據(jù)被推斷，則它可以很好地向其主要旨在建立DTM的勘查中添加值。
這個類型的高度計數(shù)據(jù)具有對植物測繪的明顯缺點。其中有-在水平和垂直范圍上高的空間方差；-距離偏移(range walk)及其它設(shè)備效應(yīng)；-缺乏對數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)；-因鏡面小平面導(dǎo)致的斑點效應(yīng)；-單位覆蓋公頃的待處理的高數(shù)據(jù)容量。
例如，斑點效應(yīng)是由充當(dāng)菲涅耳反射器且提供來自低散射密度的顯然高的能量/返回的小反射小平面產(chǎn)生。在林下葉層的這種效應(yīng)對DTM的插值產(chǎn)生非常困難的決定。同樣嚴(yán)重地是處理每公頃大容量數(shù)據(jù)從而為植物信息而測繪相當(dāng)小的面積的這一負擔(dān)。
判讀并使用這樣數(shù)據(jù)的一個手段被報告，其中在局部區(qū)域內(nèi)的返回脈沖利用返回強度的單個模型被卷積且被求和。已發(fā)現(xiàn)，最后得到的“偽波形”非常相似于在相同區(qū)域內(nèi)通過較大足跡LVIS數(shù)據(jù)所獲得的那些。然而，這可一直是因為被考慮的面積，且看起來不同數(shù)據(jù)集將導(dǎo)致的樹葉輪廓將改變不只模型化的波形。
對植物高度、覆蓋及結(jié)構(gòu)的這些數(shù)據(jù)進行判讀的可供選擇方法追溯到原始的方法。然而，它前面必須有一些DTM的預(yù)先處理。具體地，假設(shè)已經(jīng)完成了下述處理-地面返回(通常來自最后返回)被識別；-DTM插值到每個點；-基線被位移到處于零高度的地面水平。
在這種情況下，第一返回數(shù)據(jù)可以分成來自冠層元素的那些發(fā)射及來自地面的那些發(fā)射。第一返回的地面返回與總發(fā)射之間的比值是對總冠層間隙分數(shù)的估算-然而，這是一個有偏差的估算。
通過選擇一組重新抽樣點、圍繞可由冠層激光雷達使用的類型大小的中心點建立窗口或繪圖、以及發(fā)現(xiàn)屬于窗口內(nèi)所有發(fā)射，估算繼續(xù)進行。在冠層內(nèi)點z上面通過樹葉的間隙概率的估算(假設(shè)發(fā)射提供獨立的數(shù)據(jù))被獲得如下P‾gap(z)=1-#{canopyreturns≥z}N]]>這個分布的分位數(shù)已經(jīng)用于20乘以20米的小塊大小，以估算在相同大小的小塊上的平均高度。冠層模型提示對激光雷達分位數(shù)和所觀察的平均高度之間的所觀察的偏置的校正。
給定在數(shù)據(jù)中的斑點及噪聲水平，所估算的間隙概率被最佳地加以模型化，以提供穩(wěn)定的結(jié)果。這可以通過眾多方法來實現(xiàn)-如通過Weibull分布，其中
Pgap(z)=e-L(z)]]>withL(z)=a(1-e-h(1-z/H)c)0≤z≤H]]>=∫zHl(z′)dz′]]>在這種情況下，所估算的H是高度、(1-Pgap(0))是覆蓋且1(z)提供對在運動窗內(nèi)數(shù)據(jù)的樹葉輪廓初始估算。其它分布(如三角形分布)可以被使用，且因在這些數(shù)據(jù)中局限的自由度導(dǎo)致重要地是使用簡單的參數(shù)模型。
眾多參數(shù)的和非參數(shù)的這種模型已經(jīng)被加以估算，并且這種類型的模型化中的參數(shù)的統(tǒng)計估算值被加以估算。被使用的一個模型是Weibull且經(jīng)發(fā)現(xiàn)它非常好地檢索冠層高度分布。這種方案在其中高度計數(shù)據(jù)被選用于DTM測繪的區(qū)域內(nèi)加以實踐。然而，如果植物信息是勘查的主要目的，則很可能這一處理水平-像數(shù)據(jù)密度-將引發(fā)高額費用。
存在對這種估算進行規(guī)則化的各種方法(如通過選擇可變化的變換)，其不被討論。借助于許多可變化的光點大小、獲取被校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)且對整個返回進行數(shù)字化，則利用本發(fā)明優(yōu)選的方面可實現(xiàn)成本高效且可操作性的區(qū)域冠層測繪。
1.4用于基于地面的ECHIDNATM激光雷達的多視野模型1.4.1多角度效應(yīng)和用于ECHIDNATM的模型如果激光雷達是基于地面的，則有可能利用多角度以及變化的束大小和形狀來對冠層進行測深。多角度激光系統(tǒng)已經(jīng)被用來測量總的冠層間隙(像半球攝影)，但是采用在此被考慮的ECHIDNATM設(shè)備以將全部返回脈沖數(shù)字化、靈活地在半球內(nèi)以及在“地平緯圈”掃描內(nèi)進行掃描以及(顯著地)利用可變化的束寬度和形狀進行測深。顯然，這種“ECHIDNATM”系統(tǒng)對冠層角度分布與樹葉輪廓分開地進行表征的能力非常高，且遠遠大于機載系統(tǒng)。出于這個原因，ECHIDNATM和機載激光雷達系統(tǒng)兩者的開發(fā)為詳細局部特征化及區(qū)域外推提供了工具。
甚至對于樹葉元素的隨機冠層，從機載系統(tǒng)獲得的樹葉輪廓并不是優(yōu)選的樹葉輪廓，而只是取決于樹葉角度分布及激光雷達束指向方向的投影樹葉輪廓。
對于葉子冠層，這可以被如下模型化。如果 是葉子的平均單側(cè)面積 因此，通過知道G(z，μv)，LA(z)可以從地面、空中或宇宙中被推斷 不確定性的分辨率必須通過使用其它知識或使用提供測量G(z，μ)的方法的激光雷達測深的多角度。多角度激光雷達測深的使用是ECHIDNATM的基礎(chǔ)，且提供對在能夠得到這種信息的半球攝影分析中所使用方法的非常強有力的擴充。
如前面所討論，對于這種隨機情況，在方向μ上從地面到高度z(垂直高出地面)的間隙概率簡單地被如下給出 其中G(z，μv)是平均橫斷面積(或羅斯函數(shù))以及μv在此被用作天頂角的余弦具有適當(dāng)束寬度選擇、樹葉反射比知識以及掃描策略的ECHIDNATM可以提供用于針對一系列觀察角度及在一組距離內(nèi)的函數(shù)Pgap(z，μv)的抽樣。取對數(shù)
-μvLog(Pgap(z,μv))=h(z,μv)]]> 則∂h(z,μv)∂z=G(z,μv)F(z)]]>對于足夠的觀察角、G的規(guī)一化條件以及規(guī)則化，其允許針對每個水平對G和F進行估算。
-μvLog(Pgap(z,μv))=h(z,μv)]]> 如前面所說明，對于隨機分布的樹葉元素的冠層，在冠層內(nèi)任何水平上樹葉角度分布與羅斯G-函數(shù)之間的關(guān)系是G(μv)=∫01K(μv,μ)g(μ)dμ]]>其中g(shù)(μ)是假設(shè)方位角獨立性和對稱時的樹葉角度分布函數(shù)以及K(μv，μ)是可以從數(shù)學(xué)上被加以定義的核心函數(shù)。
可得到用來解決這個相當(dāng)不適定的方程式的方法。利用有效的規(guī)則化，(視在的)垂直冠層輪廓和樹葉角度可以從用于一個森林生境site的ECHIDNATM數(shù)據(jù)或從若干森林生境的數(shù)據(jù)合成中得到。
接近32.5°(或57.5℃的天頂角，或Tanθv＝π/2)仰角的地平緯圈掃描允許F(z)實際上獨立于角度分布而得到。更實驗性的估算是31.25°的仰角(58.75℃的天頂)。還有可能地是為ECHIDNATM設(shè)計半球掃描以包括這個地平緯圈及螺旋抽樣，以最大化地轉(zhuǎn)化作為冠層中高度的函數(shù)的角度分布。
從樹葉輪廓和角度輪廓組合中可得到的特別重要特性是其中冠層從樹葉移向垂直莖和樹干的點(以及它的存在)。這提供了對在一森林生境的平均冠長度比率的估算。
1.4.2ECHIDNATM的水平掃描在其水平掃描模式中，ECHIDNATM可以得到更多的傳統(tǒng)森林數(shù)據(jù)。
1.樹木密度如果ECHIDNATM進行水平掃描且記錄樹木(利用可變化的束寬度及軟件識別)，則對距離的若干樹木的累加繪圖將提供密度以及對所假設(shè)的樹木隨機分布的有效性的檢查。這些數(shù)據(jù)隨著繪圖的數(shù)量而改善。
嚴(yán)格地，如果可以在隨機點的距離r內(nèi)被測深的樹木的數(shù)量被加以計數(shù)，且(為了更好的結(jié)果)在林段內(nèi)的若干森林生境上被合計，則利用Steiner定理，數(shù)據(jù)提供下面不偏的估算n(r)＝λA+λUr+λπr2其中λ是樹木密度λA是基面積；以及U是樹木的平均圓周。
對于具有盤形橫斷面的樹木，我們可以寫下λA‾=BA=λπ4DBH2‾]]>U＝πDBH且平均DBH與均方DBH提供對樹木DBH方差以及因此對大小分布的估算。
繪制作為r函數(shù)的數(shù)據(jù)應(yīng)該(如果根本的分布接近于Poisson)導(dǎo)致二次關(guān)系且對系數(shù)(為了獲得基面積、密度和DBH)的估算可以通過回歸而獲得。
盡管在這個方案中有承諾，但是它很可能本身并不非常穩(wěn)定。對于小的r值，抽樣方差將是高的，且較好的是把它用在較大r值的漸進線內(nèi)，以取得樹木密度的林段估算，而不將它用于基面積和DBH。然而，通過將其與下面所說明的數(shù)據(jù)相結(jié)合使用，則提供一個獲得密度、大小、大小分布及基面積等主要森林參數(shù)的截然不同的機會。
2.衰減利用較寬的束寬度以及用于從空中或者在冠層內(nèi)進行冠層測深的相同原理，可以得出間隙概率。如果不存在明顯的邊界，則這可以在所有方向上被平均。在被掃描的高度處可以示出具有被良好限定的樹干及少量林下葉層的森林 因此，從以前數(shù)據(jù)中知道密度則提供平均DBH且知道λU有助于從上述1.中同樣穩(wěn)定地對BA進行估算。
3.基面積利用與Relaskop(Steinet定理以及布爾模型，見附錄3)相類似的原理，如果具有被非常精確限定的、具有角ω的角形楔的掃描正確地識別“內(nèi)”樹(“in”tree)(Nω)(樹干填充了楔形的樹)，則“內(nèi)”樹的數(shù)量提供基面積，其中BA=BAFωNω]]>=λA‾c]]>=λπ4DBH2‾]]>原則上，從前所獲得的平均DBH與在此所獲得的DBH之差可以提供對DBH方差的估算。
如同Relaskop，樹的Poisson分布假設(shè)可以被檢驗且(如果被接受的話)允許對木材體積的直接推斷。DBH的對數(shù)分布假設(shè)意味著它可以被完全地由這些方法進行表征。這允許對高于給定DBH的樹木體積和樹木密度進行估算。不像Relaskop，到“內(nèi)”樹距離的提供以及這些數(shù)據(jù)的使用已經(jīng)從相同數(shù)據(jù)集中打開了有關(guān)密度分布和大小分布兩者的信息，其中所述數(shù)據(jù)作為不同大小和形狀(ω)的激光雷達脈沖的“篩”的函數(shù)。
這些三種類型測量的使用很有可能比任何一個提供出更佳的數(shù)據(jù)。注意到特別地，如果密度和Log(DBH)的平均值以及方差在與針對用于假設(shè)位于相同林段的區(qū)域內(nèi)的每個繪圖以及合并繪圖的這三個測量集而求解密度的相同時間里同時得到求解，則應(yīng)該得到的結(jié)果是非常穩(wěn)定的估算。
1.4.3作為對VSIS或其它激光雷達系統(tǒng)的“校準(zhǔn)”的ECHIDNATM如前面所提到的，在進行測距但是已經(jīng)限制了視角或測深策略的系統(tǒng)中存在根本的“盲點”。它們被總結(jié)為-散射體密度與反射率之間的折衷；-樹葉角度分布的效應(yīng)；-樹葉叢生的效應(yīng)上面所述節(jié)提供了這樣的證據(jù)，即在一固定的森林生境通過ECHIDNATM，森林分層、叢生、樹葉角度分布以及甚至反射率全部可取得且可解析，但是利用機載和宇宙飛行器載激光雷達(包括地形和冠層激光雷達)或傳感器如VisNIR及超光譜傳感器則可解析性變得較弱。
林務(wù)官經(jīng)常使用存在于森林局部及特定區(qū)域中存在的相關(guān)性來從空間上分布的(比如)基面積測量進行(例如)木材體積的估算。以同樣方法，建議通過假設(shè)冠的大致年齡級、類型和因子如Ross G-函數(shù)在整個特定區(qū)域內(nèi)的變化是一致的，則由BCHIDNATM所獲得的信息提供了解決(比方)機載激光雷達勘查的盲點的手段。
具體地，所述步驟以相似的方法將緊接著以1.使用分階段的及層化的抽樣方法來選擇測量繪圖的數(shù)量及放置；2.利用基于地面的激光雷達及在此所說明的算法，推斷在測量處逐層的莖、冠層和樹葉特性；3.通過用在此所說明的模型進行模型化，推斷從機載或宇宙飛行器載系統(tǒng)可取得的輪廓信息；4.建立地面信息(例如體積或生物量)及輪廓信息(例如輪廓統(tǒng)計、覆蓋及高度)之間的異速生長關(guān)系的形式和強度；5.將在相似輪廓“類型”的區(qū)域內(nèi)的機載或宇宙飛行器載數(shù)據(jù)應(yīng)用到測量繪圖的森林生境中。
這個組合借助于機載和宇宙飛行器載平臺的優(yōu)勢提供了按比例縮放及高水平測量能力。沒有這樣的“校準(zhǔn)”這些系統(tǒng)在其判讀和評定時受到相當(dāng)大的局限。相同的效應(yīng)將適用于較傳統(tǒng)的遠程傳感-如陸地衛(wèi)星、光點或超光譜數(shù)據(jù)中。已知了結(jié)構(gòu)及根本的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以導(dǎo)致更佳的判讀。其原因是它們?nèi)紓鞲泄庹諝夂?，其作為對冠層結(jié)構(gòu)和條件的指示。但是僅當(dāng)結(jié)構(gòu)是已知時條件才變成容易被判讀。
在森林應(yīng)用中，增益可以是大的。莖和冠層測量之間的相關(guān)性已經(jīng)被用來簡化勘查及木材資源評定。這個方案提供了用于這種資源估算的一個新工具以及潛在的許多更多的選項。
ECHIDNATM與機載系統(tǒng)像VSIS(或其它機載系統(tǒng))以及甚至與宇宙飛行器載系統(tǒng)的組合使用，連同其作為獨立工具的使用是本發(fā)明的一個重要方面。
1.4.4單獨樹木的測深經(jīng)常需要單獨量度樹木的統(tǒng)計信息。一些年來激光雷達測距儀已經(jīng)被操作性地用于這樣的數(shù)據(jù)。然而，存在來自使用可變化束寬度和形狀的系統(tǒng)像ECHIDNATM的新信息，以掃描單個樹木并獲得有關(guān)垂直和水平大小、莖密度、樹干/冠的關(guān)系及其它單個樹木信息的統(tǒng)計。
附錄2的模型可被用來從垂直數(shù)據(jù)中得到冠因子，或者被擴充以包括用于更詳細的統(tǒng)計的角變化，并且冠內(nèi)變化的體系性質(zhì)可以被用來設(shè)計有效的束大小以獲取擴展時間蹤跡，從而允許這個信息從樹木的一個或多個測深而得到。
1.5結(jié)論只要角效應(yīng)及空間變化可以被加以考慮，則植物區(qū)域結(jié)構(gòu)圖的產(chǎn)生以及景觀的間隙頻率函數(shù)的產(chǎn)生是可行的。因此本發(fā)明在一些方面涉及到多角度的基于地面的設(shè)備(ECHIDNATM)以及它與具有為VSIS所說明的特征的機載設(shè)備的組合，后者使用由ECHIDNATM所獲得的校準(zhǔn)來測繪大面積以取得冠層和生物量測繪。
這些設(shè)備的實際開發(fā)使SNR最大化并且在系統(tǒng)的設(shè)計中仔細地將脈沖寬度和激光雷達足跡加以考慮。信號處理確定了進行信號解卷積并將地面返回與樹葉返回相分開是如何可行的。地面返回包含有關(guān)在增寬激光雷達脈沖時所表達的微起伏的非常明顯的信息。
盡管如此，基于這些原理以及包括基于地面的多角度及機載掃描系統(tǒng)的系統(tǒng)將在區(qū)域性植物測繪中起到顯著的作用。在冠層結(jié)構(gòu)圖的其基礎(chǔ)框架之內(nèi)，基于研究的系統(tǒng)還將提供開發(fā)極化、多頻率及先進處理技術(shù)(如較大范圍的圖像空間變化和間隙分析)的潛力。
2.對植物的機載冠層激光雷達描述的示例接下來的是對原始激光雷達數(shù)據(jù)如何被加以處理以說明植物冠層的示例。這個示例是基于來自NASA實驗設(shè)備(SLICER)的原始數(shù)據(jù)，其由上面所說明的算法被加以判讀。雖然它并不具有被列在所采用的VSIS系統(tǒng)的概括技術(shù)說明中的全部特征，但是SLICER能夠說明基本的算法。SLICER設(shè)備在1994至1997年間飛行在幾個森林生境上。在此所使用的數(shù)據(jù)便是來自1997年間在加拿大在BOREAS研究區(qū)域上的飛行。
2.1提取植物信號由激光雷達返回的原始信號是在輸出脈沖之后作為時間函數(shù)的被反射光的相對強度。通過將時間轉(zhuǎn)變?yōu)榫嚯x，則得到發(fā)生反射的相對高度。一旦地面脈沖已經(jīng)被識別，則被反射的波形可以根據(jù)超出地面的高度被加以判讀。這被示于圖2.1。背景噪聲水平已經(jīng)被加以估算且被從所示的數(shù)據(jù)中減去。集中于零的窄脈沖是來自地面的反射。這個脈沖的非對稱是由于輸出激光脈沖的形狀所導(dǎo)致的。這被加以設(shè)計以具有一個快速的上升時間及漸進的衰退，并且可以被模型化為上面所說明的Rayleigh分布。
地面返回脈沖必須被去除，以研究植物返回。通過擬合預(yù)計形狀的脈沖且將其從波形中減去可以實現(xiàn)這一點。圖2.2示出具有為去除地面返回脈沖而被減去的非對稱高斯型的同一波形。
圖2.3示出在直徑約為8米的單發(fā)射上的反射光。噪聲水平以上的第一返回告訴我們在這個圓形面積(約高出地面13米)內(nèi)在冠層中的最高點。這個波形的形狀暗示了約10米的樹葉(針及枝)濃度及高度為2-3米的林下葉層。這是松柏森林的近似真實的結(jié)果。
SLICER設(shè)備的光點大小同樹木的冠大小相類似，這樣可以預(yù)計到返回形狀從發(fā)射到發(fā)射的相當(dāng)大的變化。如果樹木是叢生的，即存在成組的樹木及組之間的間隙，則將存在一些區(qū)域，其中反射僅來自小的植物(如草)和地面。同樣，要預(yù)計到返回輪廓將相當(dāng)不同于闊葉冠層(如桉樹)，其既具有不同的形狀又具有不同的冠層。
2.2激光雷達輪廓的判讀對于每個激光雷達發(fā)射，得到在那個發(fā)射區(qū)域上的分數(shù)覆蓋(由樹葉所阻塞的垂直視野的分數(shù))。這被計算為到每個高度的返回累加和除以來自樹葉和地面的總反射。地面返回必須由地面和植物的相對反射比來按比例縮放。在圖2.3中相對冠層內(nèi)的高度繪制了分數(shù)覆蓋。
這個繪圖示出在由激光雷達發(fā)射所抽樣的光點上0.82的分數(shù)覆蓋。從地面向上觀看，在垂直視野上將僅可看到天空的18％。這個繪圖的形狀講述了有關(guān)樹木形狀的一些內(nèi)容。約60％的覆蓋位于10米以下，這樣樹木的頂端部分必須同錐形形狀的松柏樹木一樣稀疏。同樣，對2米以下的覆蓋具有非常小的貢獻，這樣林下葉層也是稀疏的。
分數(shù)覆蓋導(dǎo)致間隙概率。這簡單地是1.0的分數(shù)覆蓋且因此當(dāng)從不同高度通過冠層向上觀看時表示可視天空的分數(shù)。在圖2.4中繪制出間隙概率且被示為L-R上升線，如圖2.3所示L-R下降線是分數(shù)覆蓋。
通過冠層的不同高度上的間隙概率(Pgap)導(dǎo)致視在的樹葉輪廓，即在通過冠層的每個高度上每單位面積的樹葉面積。這是垂直投影的樹葉輪廓，其在隨機模型中由于角度投影函數(shù)不同于實際的樹葉輪廓，且在通常情況下還進一步在叢生存在上不同。
實際樹葉輪廓取決于樹葉元素(葉子、樹枝等)在空間上的分布。因此計算已經(jīng)假設(shè)了隨機的樹葉分布，其是對真實樹木中樹葉元素分布的可接受的但卻不精確的描述。最后所得到的視在樹葉輪廓(F Pgap)被示于圖2.5。
2.3垂直描述的水平擴充上述分析示出處理來自單個發(fā)射的激光雷達數(shù)據(jù)時的主要步驟。相對于樹木大小的S LICER設(shè)備的小光點大小導(dǎo)致明顯的從發(fā)射到發(fā)射的變化。為了理解整個被抽樣的面積，有益地是將結(jié)果總結(jié)成一系列直方圖和分散繪圖。現(xiàn)在將示例來自三個對照森林生境的實例。
所述第一個，幼短葉松森林生境是一個未成熟的林場。所述第二個，長成的短葉松林場由成熟的樹木組成，但是具有小的林下葉層。而第三個，長成的白楊木具有高大的冠層及林下葉層。
在圖2.6所示例的冠層高度直方圖中，這些森林生境的對照是非常清楚的。大多數(shù)幼短葉松森林生境具有3-8米的冠層高度，而少數(shù)群體為較高的樹木。年長的短葉松林場的直方圖揭示出兩個分布。占主導(dǎo)的一個分布集中于約12-14米且存在另一個次要的在2-4米處的峰值。這表明相對于較高的森林冠層，具有再生或低林下葉層植物(即次要的峰值)的空曠地的比例。年長的白楊木森林生境具有一個高大樹木的群體。
對于兩種短葉松森林生境，被抽樣的分數(shù)覆蓋的分布(見圖2.7)也是雙模態(tài)的，其示出具有小于0.1(10％)的分數(shù)覆蓋的明顯光點大小比例。年長的白楊森林生境具有非常少的低覆蓋面積，大多數(shù)激光雷達光點記錄了大于0.7(70％)的覆蓋。在較年長森林生境中的低覆蓋的面積可以是冠層內(nèi)的空曠面積或間隙，其也許與樹木的砍伐量(treefalls)相聯(lián)系。通過使用具有可變化光點大小的激光雷達，這個問題可以被量化。必須認識到激光雷達脈沖/發(fā)射的面積確定所有隨后得到的變量的精度和空間相干性，且出于數(shù)據(jù)被收集的目的來選擇適合的光點大小。
顯示冠層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的常用方法是結(jié)構(gòu)圖表，如圖2.8所示其為冠層高度相對于覆蓋的繪圖。再次，可看到在短葉松森林生境中有兩個群體，以及在白楊森林生境中的一個具有一些散射的主要群體。在冠層群體內(nèi)的變化可以表明局部的生長條件或干擾歷史.
經(jīng)發(fā)現(xiàn)幼短葉松森林生境中的主要(年幼)群體位于正在生長樹木的結(jié)構(gòu)圖表中的線性形成中，在其中覆蓋與高度成比例。這可提示一系列森林生境品質(zhì)或新生年齡級(emerging age class)存在于森林生境中。在這個年幼的群體中，林段高度曲線是一個有效的森林工具，其使高度能夠根據(jù)基面積或DBH被預(yù)測。在這個繪圖中，還存在一個截然不同的較高群體，其很可能是與年幼樹木相鄰的年長短葉松的一段。
年長短葉松森林生境具有一系列覆蓋和高度以及一些與年幼短葉松的線性結(jié)構(gòu)匹配的空曠及再生面積。中心面積可是在這個面積中的第三層。年長白楊是具有允許再生的顯然少量的大間隙的成熟林段。然而，這是推測且這些繪圖的主要特點是它提供的森林類型的強有力分層。
由掃描器所提供的空間數(shù)據(jù)還允許這些數(shù)據(jù)以各種方式被呈現(xiàn)且顯現(xiàn)。例如，在圖2.9中可以呈現(xiàn)對應(yīng)于從前結(jié)構(gòu)圖表的橫切(transect)，其顯示出根據(jù)由重疊的上部網(wǎng)眼示出的具有樹木高度的投影樹葉覆蓋遮住的地面地形(下部網(wǎng)眼)。年長短葉松森林生境的圖像是根據(jù)一單個橫切產(chǎn)生的，而來自幾個相交橫切的數(shù)據(jù)已經(jīng)被加以組合且插值以產(chǎn)生另兩個圖像。
這些圖像有助于對空間分布的一些問題求解。在年幼短葉松森林生境處的冠層高度表面揭示出較高樹木的群體是一個毗連于較年幼林場(plantation)的截然不同林段。年長短葉松森林生境示出在橫切的一端處低覆蓋和低冠層高度的面積，而在年長白楊森林生境處的冠層高度在整個抽樣面積上更加均勻。
2.4方差及光點大小如從前所討論，在所測量或所導(dǎo)出參數(shù)中的方差是繪圖(或在激光雷達情況下的光點)大小的函數(shù)。通過對具有最接近于垂直視角的發(fā)射進行第一抽樣且隨后通過對以3×3配置的九個光點求平均值而將它們合計，利用SLICER數(shù)據(jù)這已經(jīng)被加以調(diào)查。圖2.10的結(jié)構(gòu)圖示出對應(yīng)于約為30平方米抽樣大小的合計數(shù)據(jù)。
短葉松森林生境仍然示出兩個分開的群體，這證明次要群體被分布在森林生境內(nèi)至少30m2的相干面積內(nèi)(如上面三維圖像中所示)。來自年長白楊森林生境的低覆蓋光點并不存在于合計數(shù)據(jù)中，這樣有可能由于被隔離的樹木砍伐量導(dǎo)致它們可能是間隙。
采用如Jupp等人(1988)所說明的公知方式，并且假定在光點內(nèi)的覆蓋按照Beta(β)分布隨著基準(zhǔn)的圓盤模型而計算出的平均值和方差而變化，可以將覆蓋方差隨光點大小變化的方式進行模型化。對于年長的短葉松森林生境，可以示出如果光點大小為25米則在大多數(shù)情況下光點將被分配給M3 Camahan碼。很可能由于較大的冠層大小和冠層開闊度，澳大利亞森林將甚至更加可變。因此可以繼續(xù)進行從作為距離的函數(shù)(不僅根據(jù)如上所討論的總覆蓋)的第二級統(tǒng)計中導(dǎo)出冠層大小或葉子“叢生”。
對于年長短葉松森林生境的假設(shè)的3米冠大小，圖2.11示出實際的與模型化的覆蓋分布之間的關(guān)系。估算出25米光點大小效應(yīng)的繪圖示例出大多數(shù)森林生境是M3。
2.5結(jié)論在此所呈現(xiàn)的結(jié)果證明激光雷達測量森林特征的一些可能性。經(jīng)證明垂直通過冠層對樹葉元素進行抽樣的能力是對大多數(shù)其它遠程傳感技術(shù)的重大改進。激光雷達測量還已經(jīng)被用來產(chǎn)生森林的大規(guī)模統(tǒng)計，并且已經(jīng)證明了在對森林進行表征時光點大小以及覆蓋和高度平均值變化的重要性。
3.一些澳大利亞疏林冠層的激光雷達模擬3.1Murray Darling盆地的橫切橫穿Murray Darling盆地的橫切數(shù)據(jù)已經(jīng)被加以說明。通過使用Walker/Hopkins類型和層方法，在現(xiàn)場測量了橫切的森林生境，且基于這些數(shù)據(jù)構(gòu)建了樹葉輪廓(FPact)。此外，通過不同的方法(模塊計數(shù)方法)進行了獨立的LAI森林生境估算。在這些森林生境當(dāng)中是不同系列的覆蓋和分層的結(jié)構(gòu)，其為典型的疏林但當(dāng)然比Camahah類別所提示的廣泛分類更加豐富。這其中選擇出四個以示例已經(jīng)實施的模擬研究，以確保為VSIS和ECHIDNATM所選擇的硬件可以測繪澳大利亞森林。
表3.1

表3.1列出基于對其中四個森林生境的說明從前所導(dǎo)出的冠層數(shù)據(jù)。它還列出了從Auslig所提供的澳大利亞總體地圖所獲得的森林生境的Carnahan碼。
3.2樹葉輪廓在寫樹葉輪廓程序的時候，其并不提供森林生境的總FAI，這樣為了這個發(fā)明的目的它們要通過現(xiàn)場觀察的CF被重新計算，以如附錄3所說明的估算樹葉密度。
從森林生境所獲得的信息被示例在實際的樹葉輪廓(圖3.1)及隨后頁中森林生境的所選擇的照片中。在所述輪廓上所累積的總FAI被列在表1中。
從樹葉輪廓及照片中，森林生境最顯著的特點是1.Goonoo State Forest West(Goonoo國家西森林)是具有主桉樹層樹木的森林生境，且在冠層的較低部沒有太多。
2.Warung State Forest East(Warung國家西森林)具有在接近地面的濃密灌木層之上的總體上稀疏但高大的冠大小的上層，以及在森林底面上的高密度草地。
3.Sldings Springs Ob具有在發(fā)育不足的林下葉層上面的桉樹的高大上層林冠。
4.Canbelego West具有在非常濃度的callitrus(針葉樹)林下葉層上的稀疏上部桉樹冠層。
3.3視在反射比轉(zhuǎn)化誤差FAI和FPact信息可以被用來提供對冠層激光雷達的設(shè)計準(zhǔn)則的初始檢驗。首先，通過使用在此所說明的模型，來自這些森林生境中每一個的被模擬激光雷達返回可以被計算為視在反射比。該過程也可以被“轉(zhuǎn)化”以從被模擬的激光雷達數(shù)據(jù)中給出視在樹葉輪廓。視在反射比被示于圖3.2中。
對于一個給定設(shè)備的SNR模型，作為高度的函數(shù)的SNR可以根據(jù)視在反射比被計算為在轉(zhuǎn)化成視在冠層輪廓時的預(yù)計誤差。因此所述模型可被用來調(diào)查所選擇冠層的林下葉層可以多好地從數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化。例如，選取作為視在反射比的函數(shù)的SNR的下述繪圖用于對SLICER設(shè)備的近似。為了方便，SNR被模型化成為SNR=5471×ρapp0.865]]>如果視在反射比的繪圖及這個SNR模型被組合，則有可能估算在每個水平上的誤差并且繪制出如前面所說明及導(dǎo)出的被轉(zhuǎn)化的視在樹葉輪廓的2SD(標(biāo)準(zhǔn)偏差)變化。這被示于圖3.4。
清楚地，在這些情況下，在被轉(zhuǎn)化的視在樹葉輪廓中的2SD變化水平并不能夠精確地檢索出林下葉層的生物量。這意著實際的VSIS將需要相當(dāng)高的功率或?qū)で笃渌黾覵NR的方法。VSIS的設(shè)計準(zhǔn)則已經(jīng)被設(shè)定在0.1視在反射比以及3000米的飛行高度時的1000∶1。所述實例顯然并不處于這個水平。
根據(jù)這個發(fā)明，有可能針對其中可得到這樣的數(shù)據(jù)的澳大利亞森林類型對激光雷達返回進行模型化且模擬。光點大小及脈沖寬度還可以被改變且從光點到光點的方差可以加以計算。后者被用在評定一區(qū)域是否從結(jié)構(gòu)上為同質(zhì)的運算中。
系統(tǒng)及設(shè)備的說明4.激光雷達系統(tǒng)測量模型和分析4.1介紹一個被適當(dāng)?shù)蒯槍χ参锕趯臃治龆渲玫默F(xiàn)實植物結(jié)構(gòu)成像系統(tǒng)(VSIS)由激光發(fā)射器(激光振蕩器/放大器、準(zhǔn)直光學(xué)裝置及光束控制光學(xué)裝置)、激光接收器(收集光學(xué)裝置、探測器及信號調(diào)節(jié)電路)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及輔助設(shè)備組成，以支持作為機載激光高度計及表面激光雷達的操作以便于測繪植物結(jié)構(gòu)。
VSIS和ECHIDNATM兩者均記錄在不同時間來自眾多表面激光反射的強度，且將根據(jù)返回信號來估算這些表面的結(jié)構(gòu)。這基本上不同于探測噪聲中脈沖峰值時的地形激光雷達問題。
傳統(tǒng)(脈動的)激光測距系統(tǒng)的性能準(zhǔn)則通常與可以被測量的最大距離及在規(guī)定的條件集下操作時將發(fā)生的錯誤距離測量的最小數(shù)量相聯(lián)系。植物測繪激光雷達的性能準(zhǔn)則更加復(fù)雜。植物測繪激光雷達測量并記錄所收集的激光能量以及在一延長周期中激光能量的飛行時間。由所收集的能量而產(chǎn)生的信號強度提供了對植物結(jié)構(gòu)的量度，并且飛行時間提供了對到從能量被反射的表面的距離的估算。
因為由VSIS接收器所收集的被反射能量在延長的時間周期(即典型地在500納秒至800納秒)內(nèi)被分布，所以信噪比及其在這個周期內(nèi)的變化必須作為系統(tǒng)設(shè)計的一部分而加以確定。
4.2LIDAR裝置測量方程式在此所呈現(xiàn)的激光測距系統(tǒng)的性能分析是基于激光雷達距離方程式。距離方程式表達了作為若干系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境影響的函數(shù)的返回到接收器光探測器的被發(fā)送能量的分數(shù)。被返回的被傳遞能量的分數(shù)取決于被傳遞束的發(fā)散、傳播介質(zhì)的衰減、目標(biāo)的有效橫截面、光學(xué)系統(tǒng)的效率以及接收器的收集面積。
在光探測器上所接收的功率的通用方程式為
ΦR=ΦT·τ1·τ0(R,Rv,λ)·Kπ·θ124·R2·Γ4·π·R2·τa(R,Rv,λ)·Ac·τr+ΦB]]>其中Φt是在激光振蕩器出口孔徑處的能量輸出τ1激光輸出光學(xué)裝置-束準(zhǔn)直器等的光學(xué)透射τa(R，Rυ，λ) 是通過距離R、在波長λ、對于Rυ能見度(以千米計)的大氣透射K 是激光束輪廓函數(shù)θ1發(fā)射器光束的束寬度R 從激光發(fā)射器(及接收器)到反射目標(biāo)的距離Γ 是反射目標(biāo)的光學(xué)橫斷面Ac是接收器光學(xué)裝置的收集孔徑的面積τr激光接收器光學(xué)裝置的光學(xué)透射ΦB貢獻于所測量信號的背景輻射場當(dāng)反射對象完全填充了發(fā)射器光束時，通過進一步假設(shè)反射對象是在距離R處具有我們獲得的有效半球反射率ρ的單Lambertian反射器，則所述模型可以被簡化ΦR=ΦT·τ1·τ0(R,Rv,λ)2·ρπ·AcR2·τr+ΦB]]>通過收集項，這個方程式可以被簡化成ΦR=ΦTCR2τ02ρ+ΦB]]>在上述通用情況下，如果我們將在距離R處的“視在反射比”定義成在距離R處所觀察到的經(jīng)背景校正的被測量功率與在距離R的lambertian標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)將提供的功率(Φs)的比率乘以標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)反射比(ρs)，則我們得到
ρapp=ρSΦR-ΦBΦS-ΦB]]>=ΦR-ΦBΦTCτ02R2]]>因為這個量從所述數(shù)據(jù)(利用大氣的一些輔助模型)可實現(xiàn)，并且被模型化，其可以被用作校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)歸一化及系統(tǒng)模型化的基礎(chǔ)。
特別地，在覆蓋有植被的土地表面上的蹤跡可以根據(jù)視在反射比被模型化。在完全被記錄的激光雷達蹤跡上，來自大氣的視在反射比將是小的(僅由于反向散射)，在冠層中它將隨著信號衰減變化，最終降低，且在對應(yīng)于地面表面的距離處可能存在大的視在反射比。
通過根據(jù)視在反射比進行工作，通過規(guī)定在冠層深度上的視在反射比可以被從系統(tǒng)和環(huán)境噪聲中加以區(qū)分的程度，上面所說明的冠層模型化及模擬可以被用于系統(tǒng)設(shè)計。方便地距離被選擇為到表面的距離。在下面的節(jié)中噪聲源被加以說明。
4.3系統(tǒng)操作性特征4.3.1脈沖形狀激光的功率輸出是時間的函數(shù)。激光的脈沖形狀經(jīng)常被假設(shè)成為高斯型(Gaussian)，然而對于激光脈沖的時間輪廓，高斯型脈沖并不是逼真模型，因為它從物理上不可實現(xiàn)。Rayleigh脈沖形狀是上升到峰值的陡上升沿，隨后緊接著峰值之后較緩的(漸進的)能量減少。對于許多激光器，Rayleigh分布可以是足夠精確的脈沖形狀模型。它已經(jīng)被用作SLICER激光器的模型。
對于一給定的被規(guī)定為脈沖長度的全寬度一半最大(FWHM)的時間脈沖長度，由于對于一給定的FWHM脈沖寬度Rayleigh脈沖的較陡上升沿，導(dǎo)致Rayleigh脈沖的有效帶寬大于高斯型脈沖的有效帶寬。在處理電子裝置中受限帶寬的效應(yīng)將是引入距離測量誤差，尤其是如果帶寬要求的規(guī)格是基于在時間域上高斯脈沖形狀的假設(shè)。
4.3.2激光重復(fù)率及功率要求激光振蕩器相對是“無效率的”，且當(dāng)激光器工程師研究高功率激光器時對于他們而言，在激光振蕩器中熱效應(yīng)的控制典型地成為主要設(shè)計挑戰(zhàn)之一。因此許多激光器設(shè)計針對具有固定或至少相對穩(wěn)定脈沖能量的單個重復(fù)率而被優(yōu)化。一些商業(yè)系統(tǒng)提供“可變化的”重復(fù)率，然而在一些情況下，通過在固定速率下操作激光振蕩器且丟下不需要的激光脈沖，則可取得變化。
4.3.3操作波長通過選擇具有改善系統(tǒng)性能的最佳大氣透射或具有植物“反射”特征的激光器波長，可以得到一些性能收益。然而，具體操作波長的產(chǎn)生可將幾個設(shè)計約束強加到系統(tǒng)中。通過使用非線性光譜移動，正常地實現(xiàn)了產(chǎn)生略微離開激光器正常操作波長的被移動波長。如果可以被實現(xiàn)，使波長離開其基礎(chǔ)操作波長，導(dǎo)致不穩(wěn)定操作，其僅可以通過昂貴的設(shè)計修改才可以被克服。然而，如果振蕩器/OPO配置被用來產(chǎn)生一個被基本上從激光振蕩器移動的波長(例如從1.064μm產(chǎn)生的1.54μm)，則在一小范圍內(nèi)移動操作波長的費用可相對是小的，因為主要的費用已經(jīng)在建設(shè)振蕩器/OPO系統(tǒng)時被使用。眼睛的安全是一個主要的設(shè)計因素，其影響波長的選擇。1540nm波長最有可能獲得ECHIDATM的眼睛安全。就這一點而言，VSIS可以操作在任一波長。
4.3.4空間非均勻性在激光脈沖中的能量在發(fā)射器束寬度的空間范圍上非均勻性地分布。束的發(fā)散、束直徑及能量分布由激光器的橫向振蕩模式控制。通常作為設(shè)計目標(biāo)的在激光束中的能量分布是最低級的模式，即TEMioo模式，它具有其最大值位于束軸上的高斯型強度分布。
激光發(fā)射器輸出中的能量分布上空間非均勻性的存在意味著確定激光能量從其被反射的植物垂直結(jié)構(gòu)的返回信號分析將結(jié)合算法以允許空間的非均勻性。這要求能量的分布是穩(wěn)定的且已知的。
另一可供選擇方案將是設(shè)計一具有均勻輸出束分布的發(fā)射器。利用全息透鏡對于低功率激光器這已經(jīng)被得以實現(xiàn)。VSIS激光器的峰值能量密度將導(dǎo)致振蕩器空腔內(nèi)光功率密度在200MW cm-2至500MW cm-2的量級，而輸出功率密度處于小于此的一個數(shù)量級。
4.4信噪比(SNR)模型化
4.4.1大氣透射通過大氣的輻射傳輸導(dǎo)致因吸收及散射造成信號強度的損失。這些影響被明確地結(jié)合在測距方程式中。大氣透射對系統(tǒng)信噪比的影響估算要求一個用于大氣透射的模型，其可以方便地被結(jié)合在測距方程式中。
激光發(fā)射是窄帶輻射，因此寬帶傳輸模型的使用并不適用。計算機程序HITRAN提供了對在高光譜分辨率下透射的精確估算，且可以被用于各種路徑長度及大氣條件。如在附錄4中所示例，這些在接近1540nm的系統(tǒng)比在1064nm系統(tǒng)中更為普遍。出于SNR分析的目的，已經(jīng)使用了上述通用值。
4.4.2噪聲源探測且處理從一目標(biāo)被反射的激光能量的能力最終被噪聲限制。許多工作者已經(jīng)分析了激光測距系統(tǒng)的性能，所述激光測距系統(tǒng)利用對從發(fā)射器到反射對象以及返回到激光能量短脈沖的接收器的飛行時間的測量。這些系統(tǒng)的性能被在背景及激光測距系統(tǒng)本身產(chǎn)生的噪聲的存在下可靠地探測由被反射能量所產(chǎn)生的電信號的能力所限制。
4.4.2.1發(fā)射噪聲對于VSIS，與探測光子相聯(lián)系的噪聲過程受到發(fā)射噪聲的支配，因為激光能量的傳輸是一個光子過程且利用光子探測器使被反射的能量得到探測。熱(Johnson)噪聲還將限制系統(tǒng)的性能，然而在一個被良好設(shè)計的系統(tǒng)中，總體上它沒有在電磁輻射的傳輸和探測中固有的發(fā)射噪聲過程那么重要。
給定在時間ti、具有平均密度λ及實函數(shù)h(t)Poisson統(tǒng)計分布的一組事件，總和s(t)=Σih(t-ti)]]>是嚴(yán)格意義上的穩(wěn)態(tài)過程且通常被公知為發(fā)射噪聲。這是具有沖擊響應(yīng)h(t)及Poisson沖擊序列輸入的線性系統(tǒng)的輸出
z(t)=Σiδ(t-ti)]]>發(fā)射噪聲過程s(t)的平均值，ηs及方差，σs2是ηs=λ·∫-xxh(t)·dt]]>以及σs2=λ·∫-xxh(t)2·dt]]>然后根據(jù)過程特征可以確定發(fā)射噪聲過程的功率光譜密度。通過使用Campbell定理，如果隨機出現(xiàn)的事件以平均出現(xiàn)速率N及沖擊響應(yīng)h(t)被重復(fù)，則過程的噪聲功率譜密度為p(f)=2·N·|∫0Xh(t)·ej·ω·1·dt|2----(1)]]>對于光子，沖擊響應(yīng)簡單地是h·cλ·δ(t-ti)]]>其中ti是第i個光子的到達時間。
因此，如果在接收器上能量的到達速率和噪聲功率是已知的，則由探測器產(chǎn)生的電信號的譜密度可以根據(jù)探測器的響應(yīng)度被加以確定。
4.4.2.2信號噪聲在激光測距系統(tǒng)中，輻射的量子性質(zhì)導(dǎo)致在由探測器所產(chǎn)生的信號中的統(tǒng)計波動、光子噪聲。如果探測器的性能是如此這般，以致于起支配作用的噪聲源是信號及背景輻射，則系統(tǒng)被視為受到背景噪聲限制。信號噪聲可以被視為由下述組成與從感興趣對象所反射的激光能量相聯(lián)系的光子噪聲-信號光子噪聲，與從感興趣的對象反射的來自其它源，例如太陽的能量相聯(lián)系的噪聲-背景光子噪聲，與由感興趣對象所發(fā)射的能量相聯(lián)系的光子噪聲以及斑點噪聲接收器光學(xué)裝置的光譜帶寬將是10nm的數(shù)量級，且植物/地面的溫度將處于300K的數(shù)量級。與由在10nm波帶在300K下的黑體所發(fā)射的能量相聯(lián)系的光子噪聲的噪聲功率譜密度是處于1.064μm下的10-4pW Hz-0.5m-2的數(shù)量級。這基本上小于從地面或植物所反射太陽光的噪聲功率譜密度并且小于探測器的有效噪聲功率譜密度。與由植物或地面所發(fā)射的能量相聯(lián)系的光子噪聲的噪聲功率譜密度將被忽略。
4.4.2.2.1信號光子噪聲通過使用上面的方程式1，利用距離方程式和探測器響應(yīng)度可以估算信號噪聲。為了簡化判讀，激光脈沖被假設(shè)成在如由全寬度一半最大長度所定義的脈沖“長度”上的時間內(nèi)具有均勻的能量分布。然后容易地計算出平均的信號電流和信號噪聲分量。
4.4.2.2.2背景光子噪聲由VSIS所觀察的背景信號由被反射的照明以及來自在激光接收器視野中對象的發(fā)射及來自大氣內(nèi)太陽光散射的發(fā)射組成。被反射的照明來自于直接的太陽照明以及天空的反照率。背景信號包括在所收集的輻射的量子性質(zhì)中固有的噪聲信號。為了估算噪聲信號，必須確定包括在系統(tǒng)足跡中的地面(背景)有效輻射率。
基于在地球大氣頂部的太陽照明的初始估算被加以使用。對于一個大氣質(zhì)量，這大約高于海平面輻照度25％，然而因為這并不包括天空反照率，它為背景信號的太陽分量提供了一個有用的計算數(shù)量級。
通過使用在地球大氣頂部的太陽輻照度數(shù)據(jù)并且對通過一個大氣質(zhì)量的透射施行校準(zhǔn)，當(dāng)利用10nm光譜濾波器觀察時，具有0.5反射率的地面的視在輻射率約為在1.064μm下的5W m-2和在1.54μm下的2W m-2。包括天空反照率的更精確模型給出視在輻射率為在1.064μm下的6W m-2和在1.54μm下的3W m-2。
由接收器所收集的背景輻射量是地面的視在輻射率、在接收器視野的地面上的足跡以及接收器光學(xué)裝置的收集面積的函數(shù)。
φsolar=π·(receiver_fov·height_AGL)24·solar_irradiance·reflectivityπ·τa·Ω]]>其中Ω是在等于激光雷達海拔高度的距離處由接收器收集孔徑所對著的立體角。對于在地面上10米的束直徑，3km的飛行海拔高度及兩倍于發(fā)射器直徑的接收器視野，太陽背景信號，φsolar為在1.064μm下的0.67μW和在1.54μm下的0.32μW。
4.4.2.2.3斑點噪聲斑點來源自漫射表面相干照明的反射。在所述表面上散射體的隨機分布導(dǎo)致在觀察平面上的干涉。如果接收器孔徑小于斑點凸起(lobe)(結(jié)構(gòu)性干涉的區(qū)域)的平均橫向尺寸，則視在目標(biāo)橫斷面快速地波動。在RF激光雷達系統(tǒng)中，這種現(xiàn)象被公知為衰落(fading)。對于VSIS系統(tǒng)斑點將在接收器輸出上強加一附加的噪聲信號。
4.4.2.3系統(tǒng)噪聲除了源自信號和背景輻射的噪聲以外，測距系統(tǒng)本身是噪聲源。最初的系統(tǒng)噪聲源為探測器噪聲以及激光器噪聲對于許多應(yīng)用，探測器噪聲是占主導(dǎo)的系統(tǒng)噪聲機理。假設(shè)激光噪聲是小的且在這個分析中它將不被加以考慮。
4.4.2.4探測器噪聲為這個應(yīng)用已經(jīng)考慮了兩個探測器，以提供在1.064μm和1.54μm下操作之間的比較。兩個探測器均是雪崩光電二極管，且工作在線性模式下。1.064μm探測器是如同用在SLICER系統(tǒng)中的EG&GC90355E。這具有在1.064μm下34A/W的響應(yīng)度。1.54μm探測器是EG&G C30645E。這具有在1.54μm下的9.4A/W響應(yīng)度。
EG&G C90355E具有1.1pA Hz-0.6的規(guī)定噪聲電流且EG&G C30645E具有1.1pA Hz-0.5的規(guī)定噪聲電流。
EG&G C90355E具有帶有0.18pA Hz-0.5關(guān)聯(lián)噪聲電流的100nA規(guī)定暗電流且EG&G C30645E具有0.155pA Hz-0.5相聯(lián)系噪聲電流的75nA規(guī)定暗電流。
在一些傳統(tǒng)的脈沖測距系統(tǒng)中，雪崩光電二級管可工作在Geiger模式下，然而，這是一個非線性模式且在此被不被加以考慮。
4.4.3帶寬效應(yīng)總的噪聲信號是探測器電帶寬的函數(shù)。電帶寬通常被限制在高頻和低頻以建立通帶系統(tǒng)。系統(tǒng)帶寬的選擇極大地影響系統(tǒng)的性能。
低頻極限被應(yīng)用，以消除由于噪聲源(如1/f噪聲，其可能是一些電子電路的主要問題)導(dǎo)致的漂移。然而，如果低頻率帶寬極限太“高”，則帶寬限制將帶有基本DC部件的任何信號(如有可能在操作VSIS中要遇到的信號)失真。所引起的失真被表明為任何擴充信號如從植物所接收信號在振幅上的衰落或“下垂”。除非這得到好的控制，否則這樣系統(tǒng)的冠層測量精確度將被連累。
要求最高的可能帶寬，以為了將源自信號中相位延遲的時序誤差減至最小。然而，大的帶寬將增加來自所有源的噪聲且可連累全部的系統(tǒng)性能。
受限制的系統(tǒng)帶寬的可能效應(yīng)被示例于下面的圖5中。圖4.1示例出具有10納秒同樣FWHM脈沖長度的Rayleigh脈沖及Gaussian脈沖。
4.4.3.1脈沖上升時間及高頻成分Rayleigh的上升時間(10％至90％)是4納秒，而Gaussian的上升時間為5.7納秒。這對信號的有效帶寬具有基本的影響。Gaussian脈沖的3dB帶寬是31MHz且Rayleigh脈沖的3dB帶寬是89MHz。如果根據(jù)Gaussian脈沖光譜的帶寬對信號調(diào)節(jié)電子裝置(探測器及相聯(lián)系的電路)加以規(guī)定，則在時間域上激光脈沖的Gaussian包絡(luò)這一假設(shè)將導(dǎo)致在由Rayleigh脈沖進行的空間測量上的精確度損失。
4.4.3.2信號頻率帶寬VSIS的系統(tǒng)設(shè)計包括用于對探測器信號調(diào)節(jié)電路的最佳帶寬的規(guī)格。如果信號帶寬被局限，則探測器輸出信號的“保真度”將受到破壞，且對植物結(jié)構(gòu)的估算將被損害。探測器輸入信號的噪聲分量隨著帶寬而增加，因此如果信號帶寬大，則可能實現(xiàn)不了最佳的系統(tǒng)信噪比。
來自VSIS激光接收器探測器的輸出由變化振幅的一串重疊脈沖組成。AC耦合探測器信號(約束低通頻率響應(yīng))及限制在源自脈沖串的信號上高頻響應(yīng)的效應(yīng)被示于圖4.2。
在圖4.2中，通過約束信號帶寬以為了清楚地示出這些效應(yīng)，受限制的信號調(diào)節(jié)帶寬的效應(yīng)已經(jīng)被夸大。可以看出輸入信號的DC水平受到電路低頻率截止的抑制且高頻截止在輸出信號中引入相位延遲。相位的延遲有效地強加了系統(tǒng)的時序誤差。
通過使系統(tǒng)工作在最大可能的信號帶寬下，這些效應(yīng)可以得到降低。然而，增加信號帶寬則帶來降低了的信噪比這一損失。
低頻截止將由對于一給定深度的植物透入可以容忍的信號誤差來確定。例如，如果可以容忍5％的誤差，且植物深度為30米，則最大的低頻截止是這樣的一個頻率，所述頻率將在200納秒的時間延遲內(nèi)在階躍信號中產(chǎn)生5％的下垂，當(dāng)透入植物30米時上述時間延遲為發(fā)射器信號的雙程飛行時間。維持這個“誤差”水平所要求的低通截止頻率小于1MHz。
高頻截止將由可以被容忍的時序誤差來確定。因為這是一個系統(tǒng)誤差，所以可實施對受限制的高頻帶寬的效應(yīng)的一些補償。SLICER系統(tǒng)采用4納秒的脈沖長度(FWHM)及50MHz的探測器帶寬，以及LVIS采用10ns的FWHM及90MHz的帶寬。對于SLICER脈沖長度，Rayleigh脈沖的3dB帶寬近似為200MHz。這是非常高的帶寬，然而對于C30955E探測器的上升時間，制造商的規(guī)格是2納秒，相當(dāng)于175MHz的帶寬。因為探測器信號將以每秒最高1千兆抽樣的速率以及可能地每秒2千兆抽樣的速率被抽樣，所以175MHz的系統(tǒng)帶寬是可行的。
4.4.4信噪比的計算典型地針對連續(xù)的信號如在通信接收器上的諧波信號估算信噪比，或者如同在激光雷達接收器中針對單脈沖對信噪比加以計算。這些方案中的任一個均不適用于VSIS，其中預(yù)計信號是由來自激光器脈沖的多個反射的信號所組成的復(fù)雜波形。預(yù)計所述波形具有在200納秒數(shù)量級的時間周期內(nèi)可測量的振幅。
為了提供用于比較的一致性基礎(chǔ)，利用單個激光脈沖的平均信號電流來計算信噪比。信噪比將由信號噪聲電流、背景噪聲電流和探測器噪聲電流來控制。因為這些在某些程度上由系統(tǒng)帶寬來確定，所以已經(jīng)針對兩個帶寬，80MHz和175MHz(對于2納秒上升時間的探測器帶寬)確定了激光器功率要求和系統(tǒng)SNR。
4.4.4.1模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換從模擬信號到數(shù)字數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換將噪聲最低限度強加在信號上。理想地，A/D轉(zhuǎn)換噪聲最低限度為A/D轉(zhuǎn)換器分辨率的(2.√3)-1。如果A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是8位(典型地對于在每秒1至2千兆個抽樣的速率下的A/D轉(zhuǎn)換)且輸入范圍是一個伏特，則由A/D轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的理想噪聲信號將為1.1毫伏，然而這在實際中很少被實現(xiàn)。典型地A/D噪聲最低限度是一至兩位，例如MAX 108 8位轉(zhuǎn)換器(每秒1.5千兆個抽樣)被規(guī)定帶有47dB的SINAD，其給出220∶1的信噪比(SNR)。對于許多A/D轉(zhuǎn)換器，42dB至45dB的SINAD更為普遍，在這種情況下其將給出4毫伏至8毫伏的噪聲最低限度。
4.4.4.280MHz帶寬對于10米地面足跡，同時有0.1的有效半球形反射系數(shù)及用于23km能見度的3000米操作高度，為取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為0.66mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為0.5mJ。
對于相同的條件，針對25米地面足跡，為了取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為1.5mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為0.75mJ。對于2米的地面足跡及相同的條件，為了取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為0.23mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為0.4mJ。
這些結(jié)果被總結(jié)在下表中。

表4.11000∶1 SNR及0.1反射系數(shù)所要求的激光輸出能量0.01反射系數(shù)的這些結(jié)果被總結(jié)在下表中。

表4.21000∶1 SNR及0.01反射系數(shù)所要求的激光輸出能量對于0.75mJ的激光脈沖能量(對于兩個波長)及80MHz的系統(tǒng)電帶寬，針對2米、10米和25米(直徑)的地面足跡以及兩倍于發(fā)射器束寬度的接收器視野，隨著反射系數(shù)的系統(tǒng)SNR的變化被示于圖4.3、4.4和4.5(分別是2米、10米和25米)中。所使用的探測器是EG&E C90355E(1.064μm)及EG&E C30645E(1.54μm)。
4.4.4.3175MHz帶寬對于175MHz的電帶寬，對于10米地面足跡，同時有0.1有效半球形反射系數(shù)及用于23km能見度的3000米操作高度，為取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為1.05mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為0.95mJ。
對于相同的條件，針對25米地面足跡，為了取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為2.3mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為1.3mJ。對于2米的地面足跡及相同的條件，為了取得1000∶1信噪比所需要的激光脈沖能量被估算成對于1.064μm系統(tǒng)為0.43mJ且對于1.54μm系統(tǒng)為0.85mJ。
這些結(jié)果被總結(jié)在下表中。

表4.31000∶1 SNR及0.1反射系數(shù)所要求的激光輸出能量對于0.75mJ的激光脈沖能量(對于兩個波長)及175MHz的系統(tǒng)電帶寬，針對2米、10米和25米(直徑)的地面足跡以及兩倍于發(fā)射器束寬度的接收器視野，隨著反射系數(shù)的系統(tǒng)SNR的變化被示于圖4.6、4.7和4.8(分別是2米、10米和25米)中。與從前的數(shù)據(jù)一樣，所使用的探測器是EG&E C90355E(1.064μm)及EG&E C30645E(1.54μm)。
4.4.4.4隨地面足跡的變化正如將預(yù)計到的，隨著地面足跡的減小，利用給定激光脈沖能量可取得的信噪比顯著地增加。對于較小的地面足跡需要更多的發(fā)射，因此激光器必須工作在一較高的重復(fù)率下。所要求的總激光器輸出功率隨著重復(fù)率而增加，然而必須通過系統(tǒng)光學(xué)裝置被傳輸?shù)姆逯倒β时唤档?。由于背景輻射造成的噪聲，?dǎo)致SNR與地面足跡之間的關(guān)系并不是線性的。背景電流將隨著地面足跡直徑的平方而增加，而背景噪聲電流將隨著地面足跡的直徑線性地增加(到第一近似值)。
4.5VSIS/ECHIDNTM規(guī)格的概括接收器光學(xué)孔徑的直徑對系統(tǒng)性能具有顯著的影響。已經(jīng)采用了20cm的接收器光學(xué)孔徑直徑。這是與在SLICER系統(tǒng)及LVIS系統(tǒng)中所使用的孔徑相同的孔徑?？梢允褂幂^大的孔徑。然而，因為制造接收器望遠鏡的成本隨著孔徑直徑的立方而增加(大約地)，并且相關(guān)的費用如安裝及對準(zhǔn)也基本上隨著收集孔徑的增加而增加，較大孔徑造成的系統(tǒng)性能的收益有可能被基本上增加的成本所抵銷。增加接收器的收集孔徑直徑還對掃描系統(tǒng)的設(shè)計具有基本的影響。
類似的因素適用于激光器發(fā)射器準(zhǔn)直儀及束擴展器光學(xué)裝置的規(guī)格。對于激光發(fā)射器，束直徑、束發(fā)散性、準(zhǔn)直儀和束擴展器參數(shù)之間的關(guān)系復(fù)雜，且這些參數(shù)中的一些參數(shù)還影響掃描系統(tǒng)的設(shè)計。這些因素的討論被包括在本文的下述規(guī)格中。
4.5.1激光發(fā)射器激光發(fā)射器的設(shè)計選項具有相當(dāng)?shù)淖兓?。然而，操作海拔高度及利用每個脈沖發(fā)送足夠能量以透入植物并測繪植物結(jié)構(gòu)的要求限制了這些選項。所要求的高重復(fù)率將激光發(fā)射器選項約束成二極管泵送的固態(tài)激光器?；贜ASA和LADS Corporation(公司)的經(jīng)驗，在1.064μm發(fā)出脈沖或在0.355μm、0.532μm或1.54μm發(fā)出頻移脈沖的二極管泵送的Nd:YAG激光器是可行的設(shè)計選擇。
總的脈沖能量以及脈沖長度(FWHM)將關(guān)鍵設(shè)計目標(biāo)強加到系統(tǒng)上。利用一假設(shè)的如在SLICER系統(tǒng)中所使用的4納秒FWHM脈沖長度，已經(jīng)完成了在此所經(jīng)歷的分析。4納秒的脈沖長度提供了對應(yīng)于10cm數(shù)量級空間分辨率的約為0.8納秒(有效脈沖上升時間的一半)時間分辨率。
激光器重復(fù)率是基于每工作小時測繪100平方公里的要求。最小的重復(fù)率對應(yīng)于最大的束發(fā)散性及脈沖能量。
由于在1.54μm所使用的InGaAs探測器較低的響應(yīng)度，所以在1.54μm下操作所要求的激光器脈沖能量相對地大于在1.064μm下操作所要求的激光器脈沖能量。
系統(tǒng)參數(shù)

4.5.2接收器及取決于波長的參數(shù)4.5.2.180MHz的接收器帶寬1.064μm波長

1.54μm波長

4.5.2.2175MHz的接收器帶寬1.064μm波長

1.54μm波長

4.5.3激光接收器在此所列出的探測器參數(shù)已經(jīng)從市場上可獲得的探測器的制造商規(guī)格中被提取。所述規(guī)格并不意味著這些是所有探測器的最佳規(guī)格，因為這將要求對每個探測器的所有操作參數(shù)的更詳細分析。例如，通過調(diào)節(jié)二極管上的反偏壓可以改變雪崩光電二極管的線性增益，但是通過過量噪聲載波的產(chǎn)生而影響噪聲電流。反偏壓的變化可以以施加到探測器數(shù)據(jù)上的處理的蘊含來影響光電二極管的恢復(fù)時間。

5.系統(tǒng)工程的功能設(shè)計這個節(jié)以兩個分開的小節(jié)討論VSIS和ECHIDNATM的硬件要求。每個節(jié)論及五個操作領(lǐng)域上的硬件問題激光器系統(tǒng)和驅(qū)動器；光學(xué)裝置、掃描及數(shù)字化系統(tǒng)；支持硬件；分析和呈現(xiàn)；以及檢驗和綜合。這五個模塊中每個均具有相同的格式，首先識別系統(tǒng)的需求(規(guī)格)，然后檢驗要求并與系統(tǒng)的其它內(nèi)容進行綜合。
從部件的角度講，VSIS和ECHIDNATM具有大量基本的相似性，并且根據(jù)圖5中方框圖對兩者的系統(tǒng)加以討論。
VSIS不同于(基于地面的)ECHIDNATM之處主要在于其額外的飛行管理系統(tǒng)和相機塊。
5.1VSIS系統(tǒng)硬件VSIS硬件系統(tǒng)是如方框圖所示被鏈接的部件的組合且由下述部件組成5.1.1激光器系統(tǒng)&驅(qū)動器5.1.1.1模塊說明這個模塊說明了將由下述部件組成的激光器系統(tǒng)
-激光器-激光器電源-激光器冷卻-激光器控制系統(tǒng)，以及-與激光器直接相聯(lián)系的其它項激光器光學(xué)裝置和掃描機構(gòu)在光學(xué)裝置、掃描及探測器系統(tǒng)和驅(qū)動器中被加以說明。
5.1.1.2規(guī)格5.1.1.2.1概述激光器系統(tǒng)是一個市場上可買得到的激光器，其滿足前面所注釋的衍生規(guī)格。
所述激光器系統(tǒng)將具有可變化的束發(fā)散性，以允許在高出地形的10000英尺額定飛行高度處在地面上2至25米之間的光點大小。
5.1.1.2.2激光器激光器的輸出要求從發(fā)射到發(fā)射的一致且穩(wěn)定的脈沖形狀和能量。
激光器系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域是-波長-脈沖形狀-脈沖寬度-功率和信噪比-激光器電源-激光器冷卻-激光器控制5.1.1.2.3波長基于在1064nm和1540nm的基礎(chǔ)，兩個可能的頻率被加以考慮。1064nm波長是一常見的選擇且將適合于VSIS機載系統(tǒng)。然而1540nm波長對于ECHIDNATM具有一些優(yōu)點-特別地是在眼睛安全性方面。然而，設(shè)備性能和激光器曝光極限的考慮可正好相沖突。
從性能方面，對于冠層激光雷達，就象對于地形激光雷達，最好將大氣吸收和散射減至最小。同從前所說明，假定實際激光波長被精心地加以選擇，則存在很少的大氣散射或吸收。例如，Eaglescan地形激光雷達使用1053nm而不是1064nm的波長。可以看出這個一個非常清澈的大氣窗。還有可能在1540nm具有非常清澈的大氣，但是由于鄰近深且窄的水吸收線，所以需要對大氣吸收進行仔細分析。
專家商業(yè)軟件，例如HITRAN或Ontar LidarPC可以協(xié)助選擇波長，以保持激光信號沒有大氣吸收線。
被考慮的不同激光器材料是Nd:YAG 1064nmNd:YLF 1053nm5.1.1.2.4脈沖形狀從前已經(jīng)對脈沖形狀問題加以討論。理想的激光脈沖將是在時間維度上的對稱(例如高斯型的)脈沖，以降低信號的帶寬并允許對緊密相隔的目標(biāo)進行更好的鑒別。然而，假定非對稱脈沖如Rayleigh脈沖是穩(wěn)定的且可以得到監(jiān)視，則它是可接受的。
地面足跡將理想地具有其上的盡可能接近均勻的功率，但是假定被適當(dāng)建立的分布(如高斯型的)是穩(wěn)定的且被適當(dāng)?shù)乇碚?，則它是可接受的。激光器將操作在TEMoo模式以確保平滑的空間束圖案。
5.1.1.2.5脈沖率及寬度脈沖重復(fù)率取決于掃描選項。對于VSIS，存在眾多可能的服務(wù)于勘查不同目的的掃描選項。對于目前階段用于LVIS(在NASA GoddardSpace Flight Center所開發(fā)的操作性激光雷達系統(tǒng))的選項看起來像合理的設(shè)置，其具有隨后將說明的略微擴展的極限。
掃描系統(tǒng)的主要目的是或者以高空間密度及小光點大小，或者以較低的空間密度及較大的光點大小來覆蓋區(qū)域。測繪比例范圍大約在1∶5,000和1∶50,000之間。然而，在許多情況下進行“抽樣”(以及因此在光點之間留下間隙)而不是形成完整的圖像便令人滿意了。
在此說明的系統(tǒng)被設(shè)計用于連續(xù)的抽樣成像。即，在掃描上的光點之間或在掃描線之間將很少或沒有重疊或間隙。為了實現(xiàn)這一點，當(dāng)光點大小處于其最小值時，激光器需要直至最大為每秒15000個脈沖的脈沖率，以允許對地面的最大覆蓋范圍。激光雷達需要具有在3和6ns之間的某處且從發(fā)射到發(fā)射穩(wěn)定在3％內(nèi)的脈沖寬度。輸出強度及脈沖形狀將得到監(jiān)視，以檢驗一致性并允許對視在反射比的校準(zhǔn)。
輸出脈沖具有由功率或能量所測量的形狀和強度。如上所說明，脈沖形狀通常被模型化為具體的形式如Gaussian或Rayleigh形狀。
為了精確的測量，脈沖的形狀應(yīng)該穩(wěn)定，但是可能具有能量的變化。即，如果峰值能量被加以測量，則脈沖應(yīng)該能夠被重建。窄且對稱的脈沖是最佳的，以為了高精確地鑒別不同的散射中心。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，通過將來自返回信號的脈沖進行解卷積，則對數(shù)據(jù)“加深”進行規(guī)劃。這要求對脈沖的FWHM進行約十次測量，且在分開散射中心時，具有3至6ns FWHM的脈沖將提供高的精確度。因此具有約1ns的一半或2Gs/s周期的數(shù)字器被利用。
許多現(xiàn)存的激光雷達系統(tǒng)，如CSIRO Atomospheric Research(CAR)大氣成型激光雷達以及US實驗性機載冠層激光雷達(SLICER)可以通過Rayleigh脈沖被很好地加以說明，而CAR激光雷達具有非常高的形狀穩(wěn)定性和重復(fù)性。如果脈沖非常穩(wěn)定，則總輸出能量的被校準(zhǔn)分數(shù)將需要被加以測量。作為另一選擇地，整個輸出脈沖，而并不僅是FWHM水平可能已經(jīng)被數(shù)字化。
Enerquest地形激光雷達被報導(dǎo)具有一穩(wěn)定的Gaussian脈沖。具有在3至6ns之間、被數(shù)字化到0.5ns的FWHM以及對脈沖功率進行精確監(jiān)視的Gaussian脈沖是VSIS和ECHIDNATM兩者系統(tǒng)的最佳解決方案。
要注意到激光輸出被偏振化。如果束被反射離開掃描鏡，則被反射的能量強烈地取決于束的入射角以及激光器主平面(principleplane)與偏振角之間的角。這可基本上不同于在發(fā)射器鏈中一些監(jiān)視器上所測量的能量。因此激光器需要穩(wěn)定的偏振(polarisation)。
5.1.2光學(xué)裝置、掃描及數(shù)字化系統(tǒng)5.1.2.1模塊說明為了確保地面的大區(qū)域得到覆蓋，則需要一個掃描系統(tǒng)。掃描率、脈沖率等取決于地面足跡大小及所收集數(shù)據(jù)的網(wǎng)格大小。建議激光器系統(tǒng)的最大脈沖率為直至每秒15000。這個模塊包含所有的光學(xué)裝置、掃描機構(gòu)及控制電路。
所述要求是針對脈沖重復(fù)率，以允許飛機飛行高度和向前速度之間的相互作用覆蓋被選擇的網(wǎng)格圖案。
光學(xué)系統(tǒng)允許激光脈沖被發(fā)送以及激光信號在接收望遠鏡處被收集，以便于有效的激光光點在FOV之內(nèi)。激光器的波長及輸出功率指示出鏡表面上的涂層等。
在這個模塊中的組成如下-發(fā)送及接收光學(xué)裝置-VSIS束擴展(其定義地面上的足跡)-掃描角-輸出脈沖能量的測量-激光返回信號調(diào)節(jié)器；以及-返回信號數(shù)字器。
5.1.2.2規(guī)格5.1.2.2.1發(fā)送及接收光學(xué)裝置激光脈沖必須通過一適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)望遠鏡被發(fā)送且激光返回信號被接收。設(shè)計將激光器的掃描機構(gòu)加以考慮。
5.1.2.2.2VSIS束擴展或束發(fā)散性束擴展被調(diào)節(jié)成允許可變化的在地面上的足跡大小。束發(fā)散性是在2-8毫弧度的范圍內(nèi)。對于每個任務(wù)選擇一個足跡。在高于地形3300米(10000英尺)的操作高度上，足跡從2至25米變化。
通過采用已經(jīng)從法向激光束擴展到各種程度的激光雷達束，在測繪處于各種水平及用于不同目的的植物時按比例縮放效應(yīng)的測量得到改善。理想地，選項是這樣的，以便于在3000米飛行高度(1mr)可以測量3米的光點大小并且在1000米(10mr)可以實現(xiàn)10米的光點大小。
對于VSIS，激光雷達光點大小是飛行高度和束發(fā)散性的函數(shù)。然而，用于處理的重大問題是光點上的功率分布。如果這是均勻的，則這將是理想的。然而，如果不是如此，但若分布是穩(wěn)定的且具有被良好建立的形狀及FWHM時，則這是最佳的。
光點大小和接收望遠鏡大小或指向顯然地是相關(guān)的且如果所述束并沒有被擴展得太多以致于不能將功率要求抑制到合理水平，則這是最佳的。在1000米飛行高度處10米的光點大小選項要求對設(shè)備性能的細致分析。
高度、速度、掃描速率及抽樣的組合確定了掃描線的寬度、抽樣發(fā)射的數(shù)量及數(shù)據(jù)的圖像特性。這些參數(shù)是相互依賴的且全部是可變化的。
5.1.2.2.3抽樣輸出脈沖被發(fā)送脈沖的抽樣被加以存儲以使能對被發(fā)送的能量及波形形狀的一致性監(jiān)視。
5.1.2.2.4激光返回信號調(diào)節(jié)器-探測器激光返回由光電復(fù)用器或硅探測器(取決于激光的波長)加以處理，以在數(shù)字化之前增加信號水平。探測器應(yīng)該被最佳地耦合到光學(xué)裝置上，以捕捉整個返回信號。
5.1.2.2.5信號數(shù)字器從脈沖到脈沖以及在任何一個脈沖內(nèi)在時間上，返回信號在一量級范圍內(nèi)變化。
抽樣率當(dāng)前被設(shè)定成為2Gs/s，因為這是現(xiàn)存板的目前極限。數(shù)字化需要激光脈沖的FWHM為1/10，即對于5ns脈沖寬度為0.5ns。理想的方案是使數(shù)字化處于大于3Gs/s，以使所有的返回信號能被解卷積。
軟件支持包括控制激光器觸發(fā)、提供對掃描機構(gòu)的控制和反饋并且控制且數(shù)字化返回信號的模塊。這個軟件駐留在板載計算機上。
數(shù)據(jù)被加以存儲以用于今后的分析和使用。時間門被設(shè)定用于基于高于地形的當(dāng)前高度的數(shù)據(jù)記錄。然而，在主表面相互作用之前或之后，數(shù)據(jù)記錄被繼續(xù)得到監(jiān)視并校正背景輻射率偏差和噪聲最低限度。
5.1.2.2.6掃描角操作的掃描角從天底直至+/-15度間可變化，以為了良好的數(shù)據(jù)恢復(fù)。出于研究的目的，系統(tǒng)可以被設(shè)計成直至+/-30度。
5.1.2.2.7指向精度指向的精度可以通過在VSIS情況下光點位置的精度或在ECHIDNATM下單獨樹木的位置精度被加以測量。約光點大小一半的精度是所優(yōu)選的。
注意這是90％的要求(在90％的時間，光點的一半之內(nèi))，這樣它對應(yīng)于約2.5*RMS。例如，10米光點大小的中心將以2米的RMS來定位。
對于VSIS，精度取決于GPS/INS及傳感器模型參數(shù)(如在飛機中的位置等)。
一個優(yōu)選的設(shè)計是“平鋪”模型，其中光點以及行間的間隔與光點大小相同。這給出抽樣之間非常小的“間隙”。下述提供了抽樣計算，以幫助選擇可行的組合范圍。
所有的要求可以根據(jù)下述形式加以規(guī)定-飛行高度(h)單位米(m)-束發(fā)散性(IFOV)單位毫弧度(mrad)-飛機速度(V)單位米/秒(m/sec)-在行中的抽樣數(shù)量(nsamp)按照這些要求，抽樣計算為spot＝ifov*h/1000θscon=2*Tan-1(nsamp*spot2*h)]]>θscan(degrees)=θscan*180π]]>scan_width＝nsamp*spotscan_rate=Vspot]]>samp_rate=2πscan_rate*nsampθscan]]>Max_rate=1.5108h]]>
在這些方程式中，假設(shè)通過旋轉(zhuǎn)鏡獲得掃描，且抽樣周期是循環(huán)的一部分。即，對下行的掃描和在抽樣期間的掃描速率是相同的。
Max_rate是這樣的一個速率，超出此速率相鄰的發(fā)射便將被混淆-即數(shù)據(jù)并不是唯一的且與從前的發(fā)射相交錯。
用在計算中的典型值是1000和3000米的高度、1至8mrad(毫弧度)的束發(fā)散性、50至80m/sec的飛機速度及50-1000的nsamp。
發(fā)現(xiàn)抽樣率為每秒5000至15000個抽樣的一些初始情況覆蓋了VSIS所需的抽樣范圍。
優(yōu)選地，如果有可能掃描角被保持在+/-20度之內(nèi)(規(guī)定為+/-15度)。然而如果有必要的話較寬的掃描是可能的。
一行上的100個抽樣的一些實例被示于下表中(第1、第5至第8及最后的數(shù)字表明在可接受范圍以外的參數(shù)即過寬的掃描或太快的抽樣)

有可能取得在1000米的5米光點大小但是3000米看起來是更好的飛行高度。利用約1-2km的掃描寬度及抽樣或行之間的小間隙，可以容易地獲得在10和25米之間的光點大小。
5.1.3支持硬件5.1.3.1模塊說明支持硬件由在題為“激光器系統(tǒng)及驅(qū)動器”以及“光學(xué)、掃描及數(shù)字化系統(tǒng)”節(jié)中未直接考慮的所有設(shè)備組成。硬件包括導(dǎo)航及姿態(tài)系統(tǒng)、光譜相機或成像器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)以及數(shù)據(jù)記錄和存儲系統(tǒng)。還可能有在地面上所收集的輔助數(shù)據(jù)。
導(dǎo)航系統(tǒng)被用來對飛機定位，且允許以最高效及有效的方式完成任務(wù)。姿態(tài)傳感器允許激光器的方位得到記錄。這使能每個激光器發(fā)射的數(shù)據(jù)的地理位置。
5.1.3.2規(guī)格5.1.3.2.1導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS/INS)完整的飛行管理系統(tǒng)被安裝在飛機上?；诘孛娴挠媱澫到y(tǒng)使任務(wù)能得到計劃以及具有給定重疊的飛機軌跡得到檢驗。飛行計劃要求來自太陽跟蹤軟件的輸入，以有助于消除太陽光點效應(yīng)-特別地是在植物下面帶有水的區(qū)域上方。最終的軟件包包括在飛機內(nèi)的這個軟件，以允許對飛機軌跡的實時調(diào)節(jié)。
飛行管理系統(tǒng)具有在飛機座艙內(nèi)的顯示器用于軌跡上的勘查工作，以允許飛行員對飛機位置的及時反饋。
適合的姿態(tài)系統(tǒng)是Applanix POS/AV510。
5.1.3.2.2其它傳感器一套其它的傳感器被安裝在飛機上。這些可以包括戶外大氣溫度、濕度及大氣壓力。一個入射光傳感器被安裝在飛機頂上，以允許進入的輻射得到監(jiān)視。
設(shè)備可以是飛機設(shè)備(分辨率達到+/-2度)或是帶有Vaisala溫度和相對濕度傳感器的被專門設(shè)計的桿。壓力傳感器可以是集成的壓力傳感器。
兩個壓力傳感器被安裝，一個是密封型的，另一個是差動的。密封單元測量相對于標(biāo)準(zhǔn)大氣的壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣給出未考慮當(dāng)?shù)貕毫ψ兓母哂诤Ｆ矫娴母叨取Ａ硪粋€差動的用于測量在激光器掃描之間飛機飛行高度的小變化。密封的壓力單元量程工作在600mb(13500英尺)至1100mb之間。
所有上述設(shè)備均與計算機相對接，且數(shù)據(jù)作為激光雷達數(shù)據(jù)被記錄在相同的時間基上。為每個輸入設(shè)備提供適合的接口板。
5.1.3.2.3光譜相機/多光譜掃描器機載系統(tǒng)包含至少一個四頻帶高分辨率數(shù)字相機。該系統(tǒng)具有容納來自全多光譜掃描器(像HyMap、casi或類似的)輸入的能力。用于數(shù)字相機或多光譜掃描器兩者的市場上可獲得的系統(tǒng)要求全航空相機端口。另一個備用選擇是采用具有各種濾波器的行掃描相機。
數(shù)字相機系統(tǒng)從高分辨率手持相機變化到昂貴的高質(zhì)量全運動控制單元。
相機/多光譜掃描器具有控制且記錄全部數(shù)據(jù)的其自身的數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
5.1.3.2.4包括記錄/存儲的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)由計算機、顯示器及記錄系統(tǒng)組成。假設(shè)激光器觸發(fā)的最大速率為每秒15000個脈沖。事件順序為1.為激光器指向進行定位；2.觸發(fā)激光器；3.記錄輸出脈沖能量；4.收集返回信號并將其數(shù)字化；5.檢查有效數(shù)據(jù)；6.處理返回信號；7.將信號和輔助數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯橘|(zhì)；8.將掃描鏡移動到下一個位置；9.重復(fù)過程5.1.3.2.5數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集包括激光雷達返回和所有的輔助數(shù)據(jù)。注意如果激光器未操作在接近其最大觸發(fā)速率，則不可能記錄每個激光器發(fā)射的GPS和姿態(tài)數(shù)據(jù)。在這些條件下，導(dǎo)航和姿態(tài)數(shù)據(jù)將必須針對每個激光雷達發(fā)射的地理位置而被插值。
在下面段落中對數(shù)據(jù)量和采集速率的估算是基于在0.5ns(其給出15cm距離的分辨率)的8位數(shù)字化。激光雷達數(shù)據(jù)量還基于針對高度為100米的記錄數(shù)據(jù)，以允許背景被很好地抽樣即激光雷達數(shù)據(jù)量為每發(fā)射100個字節(jié)。
為了估算數(shù)據(jù)存儲速率和存儲量，基于具有10米光點大小及全網(wǎng)格覆蓋范圍(即正好觸及的光點)的1公頃數(shù)據(jù)進行計算。對于在這個配置中的1km地帶，每行存在100個發(fā)射。以70m/s傳播，每秒記錄7行是有必要的，因此每秒有700個發(fā)射。這樣一秒必須將700個字節(jié)存儲700次。將存在一些停滯時間(dead time)-其被假設(shè)為20％。這樣必須在1.1ms內(nèi)對700個字節(jié)進行處理和存儲。
除了輔助數(shù)據(jù)如位置、姿態(tài)和天氣監(jiān)視以外，數(shù)字相機也被包括在內(nèi)。這可具有其自己的數(shù)據(jù)采集和存儲設(shè)備。如果沒有，則這個數(shù)據(jù)被激光雷達控制和采集軟件進行處理。典型的相機系統(tǒng)產(chǎn)生四個8位數(shù)據(jù)的2000×3000象素的圖像，從而帶來每幀190Mb的總量。以70m/s傳播且假設(shè)在地面上為30cm的象素分辨率(其用一幀來覆蓋1km的地帶)，則記錄速率需要變成約每隔6s。這帶來沿著軌跡的25％的重疊。在這個速率下我們需要每公里飛行大約3個圖像，即對于1公頃實例總計為570Mb。
所述系統(tǒng)是基于PC硬件。所述硬件是市場上可買得到的。硬盤為商業(yè)系統(tǒng)的結(jié)實版本。
當(dāng)激光器被觸發(fā)時數(shù)據(jù)被發(fā)送到硬盤存儲器。在任務(wù)結(jié)束時，數(shù)據(jù)被發(fā)送到可以容易地被傳送到數(shù)據(jù)處理現(xiàn)場的介質(zhì)上。數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)例如DVD和可寫的CD可以存儲巨大量的數(shù)據(jù)且可以快速地被存取。然而，它們在飛機以及在其中可能存在不利環(huán)境條件的現(xiàn)場森林生境中使用的適用性受到質(zhì)疑，并且DAT類型可能更加適合。
質(zhì)量數(shù)字存儲示波器被用來監(jiān)視激光器返回。所述示波器被用來確認來自目標(biāo)的激光器數(shù)據(jù)并且監(jiān)視激光器輸出波形及水平。
5.1.3.2.60級處理0級數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生有用的接近實時的顯示，以為操作者提供這樣的證實，即逼真的數(shù)據(jù)被加以記錄且系統(tǒng)參數(shù)處于可按受的范圍之內(nèi)。重要的參數(shù)是●地面標(biāo)高●冠層標(biāo)高●最大的返回強度冠層和地面標(biāo)高通過分別識別高于閾值的頭一個及最后一個返回被加以估算。地面和冠層標(biāo)高相對于時間的繪圖允許操作者驗證所記錄的數(shù)據(jù)反映了地形和植物的可視評定。最大的返回強度被檢查，以致于看到設(shè)備并沒有飽和且全動態(tài)距離正在得到使用。輸出激光脈沖的功率或強度被加以記錄且被任選地加以顯示。
處理方法遵循這些步驟●利用閾值來識別頭一個及最后一個返回。
●提取峰值返回的強度及可能地其位置。
●將這些數(shù)據(jù)作為高度或距離以及強度相對于時間的連續(xù)地更新的繪圖而顯示。
0級處理可利用的時間取決于激光器被觸發(fā)的速率。在每秒15000個脈沖的最大速率下，激光器每隔66μs被觸發(fā)。在每秒5000個脈沖的正常觸發(fā)速率下，發(fā)射之間的時間間隔為200μs。假設(shè)飛機正在高于地形的10000英尺飛行，則激光脈沖從飛機傳播到地面且返回到飛機將用約22μs。如果激光器以15000pps用脈沖輸送，則在剩余的44μs期間所有返回到飛機的信息必須被加以分析和處理。
5.2ECHIDNATM-硬件問題ECHIDNATM硬件系統(tǒng)是按圖5所示被類似地加以鏈接的部件組合。它具有不同的掃描模式，它并不具有飛行計劃塊且不需要包括相機系統(tǒng)。
5.2.1激光器系統(tǒng)及驅(qū)動器5.2.1.1模塊說明ECHIDNATM將脈沖發(fā)送到分布的樹葉內(nèi)且測量返回波形。正如對于機載系統(tǒng)，整個激光器返回信號窗被數(shù)字化。
在整個系統(tǒng)內(nèi)將存在公用的時序。
這個模塊包含激光器、電源及控制系統(tǒng)。
激光器系統(tǒng)由下述組成●激光器●激光器電源●激光器控制系統(tǒng)在光學(xué)裝置、掃描系統(tǒng)和驅(qū)動器節(jié)中激光器光學(xué)裝置和掃描機構(gòu)被加以說明。
5.2.1.2規(guī)格
5.2.1.2.1概述激光器在市場上可買得到，其滿足所衍生的規(guī)格。在激光器系統(tǒng)中的每個部件在下面被加以說明。
5.2.1.2.2激光器激光器輸出要求從發(fā)射到發(fā)射的一致性形狀和能量。
激光器系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域是-波長-脈沖形狀-脈沖寬度-功率和信噪比-激光器電源-激光器控制5.2.1.2.3波長ECHIDNATM系統(tǒng)的波長是1540nm。這解決了眼睛安全的一些問題且允許采用更高功率的激光器。在零距離激光器必須是對眼睛安全的。
5.2.1.2.4脈沖形狀理想的激光器脈沖是Gaussian，以降低信號的帶寬，然而Rayleigh脈沖也是可接受的。如果Gaussian分布穩(wěn)定且被很好地表征，則其被允許用于圓形束圖案。
5.2.1.2.5束的圖案ECHIDNATM要求兩個束圖案，一個圓形圖案用于距離和數(shù)字化測量，且第二個矩形圖案用于等效的relaskop測量。操作者在選取數(shù)據(jù)之前選擇需要哪個束圖案用于特定的應(yīng)用。被特殊加以設(shè)計的光學(xué)裝置被要求適合于利用相同激光器的任一束圖案。在目標(biāo)上的圓形和矩形激光器足跡均需要具有盡可能接近均勻的功率分布。
激光器操作在TEMoo模式下以給出平滑的空間束圖案。
5.2.1.2.6脈沖率及寬度激光器要求脈沖率達到每秒最大10000個脈沖。激光雷達具有3至6ns的脈沖寬度且從發(fā)射到發(fā)射其穩(wěn)定在3％以內(nèi)。輸出脈沖的小抽樣被加以記錄以確保波形和能量得到監(jiān)視。
5.2.1.2.7功率和信噪比可以獲得信噪比，且由于通過利用多個發(fā)射可使SNR增加，所以可以假設(shè)大大低于VSIS的功率值。如果目標(biāo)是穩(wěn)定的，例如樹干，則僅SNR增加。
5.2.1.2.8激光器電源ECHIDNATM是現(xiàn)場便攜式單元且要求能量高效的激光器。激光器需要從28Vdc操作。
5.2.1.2.9激光器控制ECHIDNATM計算機控制激光器的觸發(fā)。ECHIDNATM可以使用被瞄準(zhǔn)在相同方向上的多個發(fā)射，以增加信噪比。
5.2.2光學(xué)裝置、掃描及數(shù)字化系統(tǒng)5.2.2.1模塊說明5.2.2.1.1光學(xué)裝置一些被發(fā)送的功率將被分接且被饋給輸入探測器，以使能對所傳遞功率和波形的一致性監(jiān)視。
5.2.2.1.2掃描機構(gòu)ECHIDNATM掃描系統(tǒng)需要靈活性以具有在全部半球形上進行掃描的能力。
要求幾個模式-“地平緯圈”或恒定天頂角方位角掃描-螺旋掃描-非掃描模式-背景探測模式在掃描模式中，軟件能夠識別太陽的位置并且調(diào)節(jié)掃描以消除太陽圓盤周圍的區(qū)域。在掃描和非掃描模式中，可能有必要對具有不只一個發(fā)射的相同目標(biāo)進行抽樣，且軟件允許這種可能性。背景探測模式遵從其它模式的掃描圖案，但是不觸發(fā)激光器。
公知地是一些類型的森林具有高度直至2米的林下葉層，這樣ECHIDNATM頭需要能夠被延伸出這樣的林下葉層且收集四周植物的數(shù)據(jù)。
掃描系統(tǒng)要求非常精確的定位信息以提供被掃描區(qū)域的3D繪圖。
5.2.2.1.2探測器和數(shù)字化系統(tǒng)看起來當(dāng)前的系統(tǒng)僅產(chǎn)生8位數(shù)字化且優(yōu)選地為10位。
5.2.2.2規(guī)格5.2.2.2.1光學(xué)裝置及掃描系統(tǒng)ECHIDNATM操作在兩個主要模式下具有圓形足跡的正常半球形掃描及用于地平緯圈的矩形或楔形束。
激光功率在楔形束上的均勻分布對于一些分析是理想的。TEMmn模式還可被用于束成形。楔形束為1-4度而圓形束可具有(Gaussian功率分布(TEM00)，其中束發(fā)散性為8mrad到1或2度。
ECHIDNATM的指向精度為在500米下50cm RMS，這并不是容易的要求。然而，ECHIDNATM具有這樣的優(yōu)點，即當(dāng)進行掃描時其在一段時間內(nèi)位于一個位置，并且還可以進行一些“勘查”以固定點的網(wǎng)格。
5.2.2.2.2探測器及數(shù)字器抽樣率為2Gs/s，因為這是目前可得到的板的極限。數(shù)字示波器可以更快速地將單發(fā)射返回數(shù)字化，但是到存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸可能變成更慢些。大多數(shù)DSO具有8位的數(shù)字化水平。
數(shù)字化的輸出是到計算機系統(tǒng)，隨后到存儲器的輸入。
5.2.3支持硬件5.2.3.1模塊說明支持硬件由在題為“激光器系統(tǒng)及驅(qū)動器”以及“光學(xué)、掃描及數(shù)字化系統(tǒng)”的文件中未直接考慮的所有設(shè)備組成。硬件包括位置及姿態(tài)(attitude)系統(tǒng)、相機或成像器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)以及數(shù)據(jù)記錄和存儲系統(tǒng)。輔助數(shù)據(jù)的收集要求額外的硬件如氣象站。
GPS系統(tǒng)被用來定位ECHIDNATM并且提供信息來以最高效率及有效的方法制定任務(wù)計劃。姿態(tài)傳感器允許激光器的水平得到記錄且允許每個激光發(fā)射數(shù)據(jù)的地理位置得到記錄。
來自下面ECHIDNATM設(shè)備的所有輸入被對接到主計算機上。一個計算機被用來控制、顯示并記錄所有的數(shù)據(jù)?；诘孛娴妮o助數(shù)據(jù)具有其自己的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)且在每個任務(wù)結(jié)束時容易地被檢查并下載。所述數(shù)據(jù)必須經(jīng)過類似于機載數(shù)據(jù)的QA標(biāo)準(zhǔn)。
在此被提議的所有監(jiān)視器將為平板系統(tǒng)，以降低總體系統(tǒng)重量并且將對人員的輻射效應(yīng)減至最小。這些監(jiān)視器將需要高對比度的顯示器，以允許在明亮太陽光下進行讀出。
可以建成ECHIDNATM的幾個變型，一個變型被安裝在四輪腳踏車上，且另一個需要是便攜式的，以由最多兩個現(xiàn)場人員攜帶進入森林。基本設(shè)計是針對便攜式模型被加以設(shè)定，且這將適用于可移動的平臺。
5.2.3.2規(guī)格5.2.3.2.1導(dǎo)航及定位系統(tǒng)(GPS/傾斜/羅盤)差動的GPS系統(tǒng)將被采用以對現(xiàn)場的ECHIDNATM進行定位。一個姿態(tài)或傾斜傳感器將被安裝在激光器系統(tǒng)上，以確認當(dāng)采集數(shù)據(jù)時激光器是水平的。如果其不是水平的，則傾斜傳感器可以被用來校正所收集的數(shù)據(jù)。一個適當(dāng)?shù)膯卧梢杂蒑orsdask Transducer Teknik來供給。利用羅盤和傾斜設(shè)備，太陽的位置可以得到計算且在太陽圓盤周圍可以停止抽樣。
5.2.3.2.2包括記錄/存儲的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集包括激光雷達返回和所有的輔助數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)類似于由VSIS所要求的輔助數(shù)據(jù)，然而，對于每個森林生境由于系統(tǒng)是靜止的，所以GPS定位僅需要被記錄一次。飛機參數(shù)被傾斜角所取代。最大的激光發(fā)射率目前被接受為每秒10000個發(fā)射，這樣用于數(shù)據(jù)處理和存儲所用的最小時間將約為80μs。數(shù)字相機被包括在此系統(tǒng)內(nèi)。相機可以是自動的且裝備有數(shù)據(jù)采集和存儲設(shè)施。
所述系統(tǒng)基于PC硬件。所述硬件在市場上可買得到。硬盤是商業(yè)系統(tǒng)的結(jié)實版本。
在每個激光發(fā)射時數(shù)據(jù)被傳遞到硬盤存儲器上。DAT類型的磁帶被用來傳遞數(shù)據(jù)，以允許數(shù)據(jù)容易地傳輸回到辦公室用于完整的數(shù)據(jù)處理和產(chǎn)品開發(fā)。
氣象站被預(yù)先加以編程來以設(shè)定的間隔收集數(shù)據(jù)。在正常條件下它將以更高的速率收集數(shù)據(jù)，然后對其平均化且存儲。
5.2.3.2.30級處理0級數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生有用的接近實時的顯示，以為操作者提供這樣的證實，即逼真的數(shù)據(jù)被加以記錄且系統(tǒng)參數(shù)處于可接受的范圍之內(nèi)。重要的參數(shù)是●到第一返回的距離●最后返回的距離●最大的返回強度第一和最后返回的距離相對于時間的繪圖允許操作者來校驗被記錄的數(shù)據(jù)反映出對周圍植物的可視評定。最大的返回強度被加以檢查，以查看設(shè)備并沒有飽和且全動態(tài)距離正在被使用。輸出激光脈沖的功率或強度被加以記錄且還可以被顯示。
5.2.3.2.4功率系統(tǒng)電功率對于ECHIDNATM是關(guān)鍵性的，因為系統(tǒng)是便攜式的且需要作為獨立設(shè)備被用在現(xiàn)場。ECHIDNATM被設(shè)計成具有約12-24Vdc的電源，帶有可以服務(wù)于ECHIDNATM需求的便攜式汽油發(fā)電機。還在運輸車輛上或在辦公室內(nèi)提供電池充電設(shè)施以允許方便的再充電。
6.軟件工程設(shè)計及算法驗證VSIS和ECHIDNATM產(chǎn)物需要軟件，且它們相互配合的方式被示例于圖5中。
整個系統(tǒng)軟件需求可以被方便地分成四個廣泛的部分●任務(wù)計劃
●任務(wù)操作●數(shù)據(jù)處理●產(chǎn)物呈現(xiàn)任務(wù)計劃涉及到對有關(guān)感興趣森林生境的現(xiàn)有數(shù)據(jù)的勘查以及對地形的研究，以為了制定飛行線路及地面森林生境可接近性的計劃。
任務(wù)操作要求用于設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量檢查，包括基本的數(shù)據(jù)處理以提供接近實時的“快速檢查”的軟件。主要的數(shù)據(jù)處理是在遠離野外森林生境中進行的，且實施從前所說明的算法。
VSIS和ECHIDNATM軟件需求將被單獨地提出，但是存在一些公共的需求。一些更高級的數(shù)據(jù)處理要求來自VSIS和ECHIDNATM數(shù)據(jù)的輸入，所以重要地是遵從一致的處理方法且維持兼容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
6.1VSIS6.1.1任務(wù)計劃考慮到所需要的太陽位置，VSIS任務(wù)計劃詳盡了飛行路線及飛行時間。在任務(wù)計劃中主要軟件的要求是勘查現(xiàn)存的森林生境信息(如DTM和衛(wèi)星圖像)并且這可以利用市場上可獲得的軟件如GIS包被實現(xiàn)。附加的軟件將基于設(shè)備能力及飛行選項如飛行高度及地面速度來設(shè)計抽樣圖案。這可以是一個示例出可變化的飛行高度參數(shù)、地面速度、束發(fā)散性、激光器觸發(fā)速率及掃描速率之間關(guān)系的簡單模擬。
6.1.2數(shù)據(jù)處理1、2和3級處理的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物得到定義。對于VSIS和ECHIDNATM1和2級處理將是不同的。一些3級處理將要求來自兩個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。
6.1.2.11級-基本的后飛行處理1級數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生與所釋放的SLICER數(shù)據(jù)相類似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)頭部包含有關(guān)整個數(shù)據(jù)集的信息，而主結(jié)構(gòu)包含逐發(fā)射的激光雷達返回及輔助數(shù)據(jù)。頭部應(yīng)該包含所選取的發(fā)射數(shù)量(即包括在文件中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重復(fù)的數(shù)量)、距離(高度)分辨率(或數(shù)字化時間間隔)、足跡大小(或飛機標(biāo)高及激光器發(fā)散性)以及任何其它相關(guān)的量。
逐發(fā)射的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含所記錄的激光雷達波形，所述波形帶有所識別的地面脈沖峰值和邊緣以及冠層頂部。它還包含所有必要的輔助數(shù)據(jù)，如時間、地理位置(緯度、經(jīng)度)、標(biāo)高、視野/掃描角、輸出脈沖信息。注意關(guān)于這一點標(biāo)高應(yīng)該是這樣的一個量，其定義在波形中一些點如記錄開始、或第一個被識別的高出噪聲閾值(冠層頂部)的返回的標(biāo)高(高于地面或無論什么正在被使用的基準(zhǔn)橢圓)。“輸出脈沖信息”是被記錄的輸出脈沖的無論什么特點，如果經(jīng)發(fā)現(xiàn)脈沖形狀穩(wěn)定且可按比例縮放，則其可簡單地為功率。
處理遵循這些步驟-讀取數(shù)據(jù)-原始激光雷達返回及輔助數(shù)據(jù)-GPS時間和位置、姿態(tài)、掃描角、輸出脈沖信息-將位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)插值于每個激光器發(fā)射的時間-根據(jù)激光發(fā)射的姿態(tài)和掃描角計算傾斜角及方位角-根據(jù)預(yù)先及后冠層/地面數(shù)據(jù)計算噪聲閾值。這應(yīng)該在相鄰發(fā)射上對一致性進行監(jiān)視，并且噪聲最低限度偏置應(yīng)該從數(shù)據(jù)被去除。高頻率噪聲應(yīng)該通過濾波被去除。最終，每個發(fā)射剩余的噪聲閾值應(yīng)該被加以選擇，這樣冠層頂部和地面返回結(jié)束可以被識別。
-識別在激光雷達波形中的地面和冠層點●地面返回的結(jié)束被識別為高于所選擇閾值的最后點●地面返回的峰值被識別為波形的導(dǎo)數(shù)與零相交的那個點●地面返回的開始被識別為脈沖的寬度(基于后一半寬度及已知的脈沖形狀)●冠層頂部被識別為高出所選擇閾值的第一個點-通過檢查相鄰點以及對可用的DTM的基準(zhǔn)，對地面標(biāo)識進行校驗-寫下輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)6.1.2.22級-標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物2級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物是從被解卷積的激光雷達數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的，即在其產(chǎn)生中的第一步驟是脈沖解卷積。被建議的產(chǎn)物是-包括傾斜度(slope)和平面形狀(aspect)的DTM-波形統(tǒng)計，例如冠層高度、最大返回的高度、波形中值-可以被畫出輪廓或繪制成直方圖的數(shù)據(jù)-Pgap
-投影的樹葉覆蓋-視在的樹葉輪廓-視在的反射比輪廓-結(jié)構(gòu)圖在這些計算中所涉及到的算法詳情已經(jīng)在從前被加以說明。處理步驟的概要如下●在時間域內(nèi)的脈沖解卷積●識別每個發(fā)射的地面返回標(biāo)高。通過平滑以及/或鄰域檢驗以發(fā)現(xiàn)異常及非地面探測來進行“整理”。插值/作三角測量并計算傾斜度和平面形狀。
●Pgap和覆蓋根據(jù)冠層計算返回的累計和，并且除以冠層和地面返回(經(jīng)反射比的比修正)之和。Pgap直接根據(jù)這個(Pgap＝1-(累積的返回)/(總返回))被計算且投影的樹葉覆蓋簡單地為1-Pgap。
●視在樹葉輪廓這是根據(jù)Pgap而被計算。累積的投影橫截面積是-log(Pgap)且這個量的導(dǎo)數(shù)是視在樹葉輪廓。
●視在反射比是一個等效均勻的反射體在通過冠層的每個高度上的反射比。
●結(jié)構(gòu)圖覆蓋及高度是從以前的計算中被導(dǎo)出的。高度相對于覆蓋的簡單繪圖是一個基本的結(jié)構(gòu)圖。相鄰發(fā)射可以被合計以產(chǎn)生具有較低空間分辨率的結(jié)構(gòu)圖。
結(jié)構(gòu)圖是除了DTM以外還提供的主要GIS數(shù)據(jù)層。
6.1.2.33級-先進產(chǎn)物這些產(chǎn)物包括模型(例如被擬合于樹葉輪廓的Weibull函數(shù))的應(yīng)用并且考慮了在根據(jù)輔助和激光雷達數(shù)據(jù)所識別的區(qū)域中在冠層內(nèi)的不同層。為每個層產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖及覆蓋圖?？梢詾楦鶕?jù)航空攝影或衛(wèi)星圖像被識別的其它空間圖案或簇產(chǎn)生統(tǒng)計。這些計算所需要的算法的詳細情況在從前已經(jīng)被加以說明。
6.2ECHIDNATM6.2.1任務(wù)計劃ECHIDNATM任務(wù)計劃在很大程度上類似于VSIS的任務(wù)計劃，但對于詳細的DTM數(shù)據(jù)有更大的需求，以評定對森林生境的訪問。同樣，使用了市場上可得到的軟件。
6.2.2數(shù)據(jù)處理6.2.2.11級-基本的數(shù)據(jù)處理(GPS和傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)被用來對每個發(fā)射進行地理定位及定向。
背景噪聲被加以表征且噪聲最低限度被減去。較VSIS，噪聲水平的識別對于ECHIDNATM更加重要，因為目標(biāo)更接近于傳感器，并且沒有明確的最后返回(與機載系統(tǒng)的地面返回相對照)。同樣，天空輻射率及來自冠層元素(element)和云彩的太陽光反射是明顯的。噪聲最低限度應(yīng)該被校驗附近發(fā)射上的一致性。高頻率噪聲通過濾波被去除。高的抽樣率使這能被做到而不影響脈沖被平滑的信號。
6.2.2.2 2級-標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物2級標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)物是從被解卷積的激光雷達數(shù)據(jù)中導(dǎo)出的，即在其產(chǎn)生中的第一步驟是脈沖解卷積，其為“時間域”的解決方案。
標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物將是●在地平緯圈或半球上的波形統(tǒng)計●被畫出輪廓或繪制的基本波形統(tǒng)計(例如級統(tǒng)計、峰值冠層返回水平)●間隙概率、視在樹葉輪廓及平均葉子角●根據(jù)32.5o標(biāo)高地平緯圈的LAI●根據(jù)水平地平緯圈的基面積，原木體積●合計的樹葉角分布如果被需要的話，則在若干發(fā)射內(nèi)這些產(chǎn)物可以被合計。從前已經(jīng)對導(dǎo)出這些產(chǎn)物所采用的算法加以說明。
6.2.2.33級-先進產(chǎn)物先進的產(chǎn)物結(jié)合了研究冠層內(nèi)不同層的模型。為每個層繪制了結(jié)構(gòu)圖和覆蓋。取決于高度的樹葉角分布模型可以被用來計算樹葉輪廓或根據(jù)ECHIDNATM數(shù)據(jù)可推斷角度。
下述產(chǎn)物是可能的
●比例效應(yīng)和間隙相位●逐等級和層的樹葉輪廓和結(jié)構(gòu)圖●生物量和FAI/LAI圖●生長形式和生長階段●木材體積、基面積和林段適合性●森林中的通行程度及能見度●通過典型數(shù)據(jù)集上的信息的飛行和三角測量●莖與樹葉的關(guān)系●Carnahan等級A1附錄1-當(dāng)校準(zhǔn)并不完全被已知時的解決方案假設(shè)在其中存在數(shù)據(jù)的區(qū)域內(nèi)校準(zhǔn)具有形式(出自其中k(r)正在操作的近距離區(qū)域)C(r)=C‾r2]]>它遵從S‾(r)=C‾ρapp(r)=r2E(r)E0=-C‾ρvdPgap(r)dr]]>再次，這個量可以在輪廓上被積分以獲得H‾(r)=∫0′S‾(r′)dr′]]>=C‾ρv(1-Pgap(r))]]>并且在地面上關(guān)系保持
S‾(h)=C‾ρgPgap(h)]]>=C‾ρg(1-H‾(h)C‾ρv)]]>=C‾ρg-ρgρvH‾(h)]]>因此，如果地面與植物反射比的比率是已知的，則這個關(guān)系給出Cρg并由此Cρv給出被積分的間隙輪廓Pgap(r)以及包括Pgap(r)。如果由于濃密的冠層導(dǎo)致一些發(fā)射并不具有地面返回，則Cρv的局部估算可以被用來提供間隙輪廓。
C‾ρg=S‾(h)+ρgρvH‾(h)]]>C‾ρv=ρvρgC‾ρg]]>=ρvρg[S‾(h)+ρgρvH‾(h)]]]>即，概括地Pgap(r)=1-cover(r)]]>=1-H‾(r)H‾(h)+ρvρgS‾(h)]]>為了從操作上獲取這個結(jié)果，需要將地面信號與地面以上的信號分開、識別數(shù)據(jù)開始及背景噪聲閾值。
A2附錄2-冠因子及葉子面積的密度如果通過冠內(nèi)部的樹葉密度是均勻的，則它可被近似地從冠的因子或冠的開闊度(CF)加以估算。
如果樹葉元素相對小且通過具有均勻葉子面積體積密度F的冠體積被隨機分布，則在冠層內(nèi)在方向μ上長度為s的光線將不碰撞樹葉元素的概率是
Pgap.W(s，μ)＝e-G(μ)Fs其中G是Ross G函數(shù)。在方向μ上樹葉元素的投影面積與單側(cè)面積的比率被用于FAI和F。針對隨機分布的葉子，對于所有的方向G＝0.5。
CF可能通過簡單的方法被模型化，以取得對冠的等效F進行定義的更加復(fù)雜方法的起始值。在所述簡單方法中，垂直通過冠的截斷的平均長度被用于間隙模型以估算CF，且在第二個方法中，利用相同截斷的在由冠所覆蓋面積上的平均Pgap被使用。所述第二方法是“精確的”估算。
A2.1橢圓體冠的樹葉密度對于橢圓體冠，可示出通過冠的平均垂直路徑為2/3T，其中T為冠的厚度。在這種情況下，對垂直向上看的冠的平均間隙分數(shù)的初始大略估算將是P‾gap=1-CF/100]]>=e-23GFT]]>其中在此G是垂直Ross G函數(shù)。
更精確的估算是在冠面積上對Pgap.w進行平均，其結(jié)果是P‾gap.W=2r2∫0′ρe-X(1-ρ2R2)1/2dρ]]>=2X2(1-(1+X)e-X)]]>X＝GFT如果采用簡單的估算來取得對X的第一近似，則通過迭代可以快速地獲得對X的精密估算，從而允許從CF數(shù)據(jù)得到每個類型的GF。
在正常Walker/Hopkins現(xiàn)場數(shù)據(jù)集中的丟失數(shù)據(jù)是G，其可以被用作0.5(隨機情況)，以作為開始，但是理想地應(yīng)該為每種冠類型和/或物種提供樹葉角度分布的一些想法。樹葉角度的指示如“erectophile”(垂直樹葉)、“planophile”(水平樹葉)及“隨機”可以是有用的。
然而，如果樹葉類型的物種已經(jīng)在現(xiàn)場數(shù)據(jù)中被加以記錄及/或在森林生境中已經(jīng)拍照，則這種數(shù)據(jù)還可以被推斷。在被測量結(jié)構(gòu)的區(qū)域內(nèi)攝影方法采用半球形攝影，以轉(zhuǎn)化G和F。
A2.2圓錐體冠的樹葉密度對于錐形體，簡單的估算為P‾gap.W=1-CF/100]]>=e-13GFT]]>并且更精確的方法導(dǎo)致P‾gap.W=2r2∫0′ρe-X(r-ρ)rdρ]]>=2X(1-1X(1-e-X))]]>X＝GFT因此，現(xiàn)場數(shù)據(jù)再次導(dǎo)致對GF的估算，且需要有關(guān)G的一些假設(shè)以通過其自身獲得F。然而，應(yīng)該注意到需要GF來對垂直激光雷達返回進行模型化。
A2.3草地的樹葉密度對于草地，通?？色@得的數(shù)據(jù)是高度及覆蓋。如果草地高度由T來表示，則P‾gap.G=(1-cover100)]]>=e-GFT]]>這樣，GF再次可從草地冠層類型的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中得到。但是，再次，將需要G的一些知識以獲得整個實際的樹葉輪廓。
A3.附錄3-數(shù)學(xué)工具A3.1數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的基本定義
Boolean(布爾)模型已經(jīng)被廣泛地使用于對來自傳統(tǒng)和基于激光雷達的冠層和森林測量的統(tǒng)計和信息的推導(dǎo)上，并且為分析和測量隨機集的結(jié)構(gòu)提供公理化的和數(shù)學(xué)的方案。在對出現(xiàn)于結(jié)晶學(xué)、立體測量學(xué)及礦物分析中的圖像的分析上，它具有其實踐基礎(chǔ)。
通過采用這個工作的術(shù)語，這樣的“圖像”具有兩個基本相-被稱為晶粒和孔隙(或間隙)或更具體地集X以及其補集Xc。
Grains＝X_RN 例如，在森林中樹木的圖像使樹木作為晶粒并且使背景、間隙或空曠地作為孔隙。然而，圖像可具有若干“相”或集類型。
集變換是一個導(dǎo)致新集的集運算( )(例如形成以上的補集)且量度(μ(x))是一個導(dǎo)致數(shù)(如表面面積、體積、面積、質(zhì)量等)的運算。
在說明集的結(jié)構(gòu)時所使用的基本原理有●增加和減少集變換●與平移的相容性以及●構(gòu)造元素增加集變換是針對 (X)_X的變換，且減少變換是針對 (X)_X的變換。這些在定義“篩”時起到特殊的作用。一個特殊的集變換是平移XXh＝{x+h|x∈X}當(dāng)ψ(Xh)＝[ψ(X)]h時，變換被稱為“與平移具有相容性”，這樣所述變換在平移之前或者之后被執(zhí)行是無關(guān)緊要的。這種運算被稱為獨立于原點(origin)。
出現(xiàn)的另一個變換是對于標(biāo)量λ的“同位相似”變換(“homothetic”transformation)λXλX＝{λx|x∈X}且就平移而言，我們使λ[Xh]=[λX]λh.]]>再次，這些運算可以被用來建立檢驗函數(shù)及用于測量大小和形狀的篩。
“構(gòu)造元素”(B)是用來建立X的形態(tài)變換的特殊集。在B中的特殊點被稱為其的“中心”，這樣Bx是平移量為x的集平移或被居中于x的集B。這個工具與被變換集的量度一道組成了結(jié)構(gòu)的圖像分析的工具。
構(gòu)造元素是測量圖像組成的“檢驗集”。它們可以是點、線、簡單的形狀如圓盤或矩形或這些的組合。它們可以是在3維或更多維數(shù)上的球體或立方體。選擇構(gòu)造元素及構(gòu)造元素的簡單族(例如對于給定基礎(chǔ)B的λB)導(dǎo)致一些非常有用的算法。
兩個初級的集變換是Erosion(侵蝕)和Dilation(膨脹)。集X的Erosion(Y)是B的平移Bx的中心x的軌跡，其被包括在集X中。如果X減去Y的集減法運算被定義成 則它遵從我們可以將由B對集X的侵蝕運算寫成 其中集B是相對于其座標(biāo)原點的B的“對稱集” 運算減小了集X，但是與此同時增加了集Xc。補足的增加變換被稱為集的膨脹(Dilation)。它是“碰撞”集X的Bx的中心x的軌跡
盡管這些表達式有顯然的復(fù)雜性，但是它們具有這樣的特性，即它們可以作為基本圖像處理運算的軟件和硬件而被實現(xiàn)。運算的代數(shù)學(xué)可以被實施且其為分析提供非常有用的結(jié)果。
通過構(gòu)造元素可以從集的基本侵蝕和膨脹中展開的兩個特殊變換是由B對集X的Opening(打開)及Closing(關(guān)閉)OpeningXg＝(X⊙B)_BClosingXg＝(X_B)⊙B這些可以提供用于大小分布的非常有效的“篩”，如所述測量μ(XλB)隨著λ變化的方式。例如，當(dāng)集的面積隨著借助不同尺寸圓盤的打開或閉合而變化時，其可以被用來估算組成集X的晶粒的大小分布-并且它可以通過以硬件為基礎(chǔ)的圖像分析器(Serra，1974)來進行。
在圖像處理方面，構(gòu)造元素是在圖像上“被移動”或遞增的局部小塊(patch)。在所述膨脹中，如果部分結(jié)構(gòu)元素碰撞X，則所述點被標(biāo)記上“in”(“內(nèi)”)否則為“out”(“外”)。在侵蝕中，僅當(dāng)整個構(gòu)造元素為內(nèi)時，則X為被標(biāo)記為“內(nèi)”的中心點，否則它為“外”。這些簡單、可實現(xiàn)的運算是從研究數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)而產(chǎn)生的基本且非常實用運算的實例。
A3.2布爾模型A3.2.1基本定義用于導(dǎo)出冠層結(jié)構(gòu)和森林特性測量目的一個特別有用的模型是“Boolean Model”(“布爾模型”)。這個模型是隨機集模型的一個實例。它開始于具有密度λ的Poisson點過程，并且對于每個Poisson點的實現(xiàn)，其與晶粒的中心相聯(lián)系。晶粒是隨機集Xi′的實現(xiàn)且布爾模型(X)的實現(xiàn)是下述并集
例如，具有隨機直徑和中心Poisson分布的一個圓盤集形成了布爾模型。特定的“圖像”是模型的一個實現(xiàn)，且測量其特性的能力將取決于根本的模型在其實現(xiàn)的“圖像”中誘導(dǎo)的關(guān)系，即。
存在布爾模型的兩個基礎(chǔ)特性。第一個涉及到構(gòu)造元素(B)屬于X孔隙的概率，且第二個涉及到碰撞構(gòu)造元素的布爾模型的晶粒的數(shù)量。
A3.2.2基礎(chǔ)特性假定B是隨機被定位的構(gòu)造元素。B完全地處于孔隙(或間隙)相的概率可被示為Q(B)=Pr{B⋐Xc}=e-λE[Mes(X′⊕B‾)]]]>因為1-Q(B)是由通過B對X的膨脹(X B)所占用的空間比例，所以這個基礎(chǔ)將集X的運算與其對晶粒X′的作用相聯(lián)系。這是所述模型的最有用的特性之一。
A3.2.3碰撞B的晶粒的數(shù)量碰撞B的初級晶粒(X′)的數(shù)量可以被簡單地示為Nλ(B)＝Poisson{λE[Mes(X′_B)]}再次，這是一個非常有用的結(jié)果。
A3.2.4簡單實例假設(shè)X是一個將初級晶粒作為緊湊平面對象的布爾模型，所述緊湊平面對象精略地為圓形但是在面積及局部“形狀”上為隨機的-有點像樹干的橫斷面或像被垂直投影的樹冠。
現(xiàn)在假設(shè)構(gòu)造元素B非常簡單地是一個單個點{X}。一個點屬于孔隙內(nèi)的概率為q=Pgap=e-λA‾]]>即，間隙的概率是我們從前所引用的被投影的冠覆蓋。此外，碰撞到一點的被投影冠的數(shù)量將是具有密度λA或CAD的Poisson變量。因此，CAD必須大于100％，因為將存在任何看得出的冠重疊。
下面將使用這個結(jié)果以及一些修正。
A3.3Steiner定理Steiner定理將R″中的緊湊凸集的泛函(functionals)(如體積、表面面積或周長)與通過R″中緊湊“球”的其膨脹的那些泛函相聯(lián)系。在此不提供其通用的推導(dǎo)，而將只引用其兩維的形式。
在所述平面內(nèi)，Steiner定理變成A‾(X⊕B)=A(X)+U(X)·U(B)2π+A(B)]]>其中A是面積且U是周長。
假設(shè)，例如布爾模型通過半徑為r的圓盤被膨脹，則它遵從對于任何初級晶粒A(X′_B)＝A(X′)+U(X′)r+πr2從中可以發(fā)現(xiàn)所述盤將處于孔隙中的概率或碰撞所述盤的初級晶粒數(shù)量的分布。
A3.4應(yīng)用A3.4.1Bitterlich角計數(shù)方法在用于估算基面積(BA)的角度計數(shù)方法中，假設(shè)樹木具有圓形橫斷面且按Poisson分布，因而形成了布爾模型。在此興趣所在是在胸高處樹干的“片段”(slice)。
下面是估算其的原理。對于一個給定的楔形角，如果觀察點處于樹木中心的下述半徑rcrit=risinα2]]>內(nèi)，則樹木將為“內(nèi)”。在這個公式中，ri是在考慮當(dāng)中的樹木半徑且α是楔形角。
轉(zhuǎn)向這個問題，考慮到每個樹木橫斷面由半徑為rcrit的圓盤取代。這還是具有相同密度的布爾模型，但卻是一個不同的(由比例系數(shù))晶粒面積分布。
“內(nèi)”樹的數(shù)量將精確地為在觀察點處重疊晶粒的數(shù)量。假定這個點被隨機地加以選擇，則它遵從Nλ(x)＝Poisson{λE[Mes(X′)]}＝Poisson{λA×BAF}＝Poisson{BA×BAF}BAF=sin2α2]]>其中BAF是“基面積因子”。即，所預(yù)計的“內(nèi)”樹數(shù)量除以BAF是林段的基面積。
BAF不應(yīng)該太小，因為面對估算的方差(其等于平均值-即BAxBAF)除以一個小的數(shù)并不是所希望的，并且還因為估算不應(yīng)該基于太大的繪圖大小。如果有效的繪圖大小變大，且BA并不小，則樹木開始變得“隱藏”在其它樹木的后面。有可能給出“阻塞”的容許量，但是公式變得更加復(fù)雜。
A3.4.2在給定距離內(nèi)顯然的樹木數(shù)量Bitterlich角計數(shù)方法是基于圓形的樹干及缺乏由其它樹對“內(nèi)”樹的阻塞這樣的假設(shè)。第二個對于相對短的距離是合理的。
如果所述方法由一種對顯然小于離繪圖中心的距離r的任何大小的樹木進行計數(shù)的方法所取代，則我們可以使用Steiner定理來導(dǎo)出數(shù)據(jù)所預(yù)計的信息內(nèi)容。
我們將僅假設(shè)樹干橫斷面為凸形。在那種情況下，與對基面積Bitterlich估算的上述推導(dǎo)相類似，顯然在繪圖中心(距離樹木的任何點)的半徑r內(nèi)的樹木數(shù)量是Nλ(x)＝Poisson{λE[Mes(X′，)]}λE[Mes(Xr′)]=λA‾+12πλU‾r+λπr2]]>如果顯然在距離(通過任何碰撞)內(nèi)的樹木數(shù)量作為r的函數(shù)被測量，則可以看出在小的距離處數(shù)據(jù)由BA所支配且在大的距離處由密度來支配。然而，如上所注釋，這并不總是估算BA的穩(wěn)定方法。
如果樹木是否處于所述距離內(nèi)的決定被采取成有限角度光線和樹木某個部分的相交(intersection)，則束的寬度也被包括在這個模型中。變化的束寬度及不只一個繪圖的使用將改進這個技術(shù)的能力。
A3.4.3估算pgap的投影方法在大多數(shù)在此被討論的應(yīng)用中，間隙概率可根據(jù)計算我們希望計算其間隙概率的基準(zhǔn)表面或平面被加以討論。例如，覆蓋與相對于背景表面的冠層內(nèi)間隙概率有關(guān)，并且在莖森林中的能見度或“覆蓋”可以被看成與繪圖中心和與森林中一距離處的視野保持水平的“視覺板”之間的間隙概率有關(guān)。
考慮在一表面(例如樹冠或樹葉等)上面體積內(nèi)分布的晶粒的布爾模型。Poisson密度將被表示為λv且它可在“雙Poisson”模型中在空間上很好地變化。
如果z表示在0和h之間且包含所有晶粒的高出“表面”(或基準(zhǔn)平面)的高度，則我們可以考慮將晶粒從垂直于所述平面的特定方向(其將被表示為μv)上作為“陰影”投影到基準(zhǔn)平面上的結(jié)果。(注意在這種情況下，符號是指矢量方向的方向余弦，而不僅指天頂角的余弦。)容易看出晶粒到基準(zhǔn)表面的投影形成了布爾模型以便于
λ=∫0hλv(z′)dz′]]>Q(B)=Pr{B⋐Xc}=e-λE[Mes(X′(μv)⊕B‾)]]]>其中目前X′(μv)是晶粒X′到基準(zhǔn)平面上的投影且Mes和B是平面量度和構(gòu)造元素。
例如，Warren Wilson點樣方方法可以從Poisson模型中導(dǎo)出，因為存在將由針葉所碰撞次數(shù)表達成預(yù)計的重疊投影次數(shù)的表達式。冠覆蓋、投影的樹葉覆蓋以及甚至對于激光雷達衰減的表達式可以從這些基本結(jié)果中被快速地展開。
作為一個簡單實例，考慮到基準(zhǔn)平面目前是垂直的且投影全部在森林中的一個給定方向上。在這種情況下，樹干將投影為具有寬度DBH的矩形。以這種方式可以示出在具有被良好定義的樹干層的森林中平行于地面的距離r內(nèi)的間隙的概率是Pgap(r)=e-λU‾r]]>其中U是樹干的平均周長(πDBH)。因此，在水平方向上信號的衰減是對樹木大小和間隔的量度，其可以與其它關(guān)系一道被放入一個將對這些參數(shù)進行解析的測量集內(nèi)。
如果檢驗束是一個有限寬度，則衰減必須被加以修正以將“構(gòu)造元素”考慮在內(nèi)。如果束(或B)具有變化的大小和形狀，則它提供用于導(dǎo)出森林中許多結(jié)構(gòu)參數(shù)的工具。
A4.附錄4大氣參數(shù)&反射比A4.1介紹假設(shè)VSIS的激光雷達系統(tǒng)向下看有效地與地面相垂直。在向外和返回兩者的路徑上其束將被設(shè)備與地面之間的大氣散射且吸收。此外，來自地面且從大氣反向散射的輻射將進入到望遠鏡FOV且提供背景輻射率。
A4.2背景輻射率進入接收望遠鏡FOV的背景輻射率可以概括地被模型化為L1(μo,μx,h,λ)=1πETt(μo,h,λ)ρ1+ρenv1-sρ·+Lp(μo,μs,h,λ)1-s(h)ρ·[+Lg(μo,μs,h,λ)]]]>其中L1(μv，μs，h，λ)是由設(shè)備以波長λ、從海拔高度h、以觀看(或視野)方向μv和太陽方向μs從具有背景反射比ρb的表面所觀察的輻射率ET·(λ)=ET(λ)1-sρ·]]>其中ET(λ)是在目標(biāo)處針對“黑”地的輻照度；s是天空的半球形反照率。
t(μv，h，λ)是通過表面與方向μv上高度h之間的層的束透射比ρenv=ρ·(T(μv,h,λ)t(μv,h,λ)-1)]]>是因背景反照率ρb導(dǎo)致的環(huán)境反射比以及T(μv，h，λ)是針對厚度h的層及初始束方向μv的漫透射比Lp(μv，μs，h，λ)是并不與表面相互作用的光的路徑輻射率；以及Lg(μv，μs，h，λ)是將在水所覆蓋目標(biāo)上面出現(xiàn)的閃爍項。
方程式被以這種方法來寫，因為正常地背景反照率并不是已知的且應(yīng)該在大氣校正期間被局部地加以計算。因此，用于大氣模型化所需要的基本數(shù)據(jù)是[ET(λ)，t(μv，h，λ)，T(μv，h，λ)，T(μs，h，λ)，s，s(h)，Lp(μv)[，Lg(μv)]]其中閃爍項僅用于水象素(water pixel)。
這些參數(shù)已經(jīng)由被稱為ATM_MOD的程序提供給一個給定大氣模型。如果需要估算背景輻射率(通量)，則背景反射比可以在0和1之間變化。這可以被加以結(jié)合，以將望遠鏡FOV和記錄帶寬考慮進去。
當(dāng)接收器光譜帶寬被假設(shè)為10nm時，以這種方式使用寬帶ATM_MOD是合理的，因為對于可以由1nm帶所分辨的波段它是精確的。事實上，如果激光雷達設(shè)備使用小于10nm(例如1nm)的相當(dāng)窄的濾波器，則將會更佳。但是即便是這樣，ATM_MOD值可以被用于模型化。
{注由于懸浮微粒的低散射和幾乎沒有多次散射導(dǎo)致在NIR和SWIR中公式化可以相當(dāng)大地被簡化。但是沒有必要這么做，因為ATM_MOD可以按如上被使用。還要注意背景反射比和目標(biāo)視在反射比并沒有必要是相同的。最好假設(shè)一個背景且保持其固定。}A4.3反射比和經(jīng)估算的背景效應(yīng)通過使用光譜輻射計，可以在現(xiàn)場測量被使用在上述模型中的反射比因子。在圖7.1中所看到的繪圖示出在現(xiàn)場任務(wù)期間在澳大利亞的堪培拉所選取的在可見光、近紅外和短波紅外范圍內(nèi)的典型的草地和土壤的背景光譜。
如果這些被聚焦到用于激光雷達模型化所正在考慮的兩個范圍內(nèi)，則導(dǎo)出圖7.2和7.3所看到的圖形。
通過使用這些繪圖來選擇背景反射比范圍，并且通過使用來自一些近期Hymap飛行的典型大氣，如圖7.4和7.5所看到，在望遠鏡FOV上(并且在FOV上被積分)的背景輻射率值被加以計算，使最上面的線具有用于參考的0.5的反射比且給出在1054nm的60W m-2microm-1 sr-1的輻射率以及在1540nm的30W m-2 microm-1 sr-1的輻射率。
清楚地是在1540nm存在較少的地面輻射率以及(如下面所見)較高的透射(transmission)-假定水蒸氣線被避免。植物的反射比相當(dāng)?shù)停悄且馕吨嬖谳^少的多次被散射的來自樹葉的輻射。對激光雷達反向散射的影響將在下面加以討論。
在ECHIDNA_情況下，當(dāng)設(shè)備接近太陽位置掃描時，背景輻射率將是天空的輻射率和任何云彩反射或光輪效應(yīng)。這將必須由設(shè)備仔細地加以監(jiān)視并模型化。在掃描期間太陽需要被避免且天空輻射對于數(shù)據(jù)的意義需要被加以評定和測量。
A4.4透射在激光器系統(tǒng)和視在反射器的范圍之間的激光雷達透射(t(μv，h，λ))被精確地模型化用于透射，因為激光束具有非常窄的波帶。優(yōu)選地針對大多數(shù)可獲得的最詳細透射模型-如Hitran，因激光器系統(tǒng)必須避免的窄帶和線存在的緣故，這被進行。
作為此的一個實例，來自Modtran 3.7的一些繪圖被呈現(xiàn)在圖7.6和7.7中。軟件包經(jīng)常被用在激光器模型化中且具有1cm-1的頻率/波長分辨率或ATM_M0D的約1/10的分辨率。
圖7.6和7.7繪制出對于兩個波長范圍的3km垂直路徑(上蹤跡)的及到宇宙(space)路徑(下蹤跡)的透射比。現(xiàn)在大氣模型略有不同，這樣結(jié)果與來自ATM_MOD的透射略有不同。利用完全一致的運行可以解決這些差異，然而在1nm階梯上所平均的所述差異并不大。
清楚地，在NIR中0.9的透射比及在SWIR中0.92的透射比可以被用在所述模型中。如果激光雷達在一條線上，則它將需要被“調(diào)諧”進入到一更清晰的區(qū)域，并且Hitran或其它類似的代碼可以被用來找到這些最清晰的大氣路徑。
從這些繪圖中將看起來如果激光器被從1065nm移動到接近1050nm，則它將總是“處于清晰”且1540nm的選擇看起來避免了吸收線，但是應(yīng)該被加以監(jiān)視以避免許多附近的線。
A4.5激光雷達散射效應(yīng)對于樹葉和土壤背景，激光雷達反向散射(將相位函數(shù)加以考慮)可以被表達成為ρv=15ωv]]>ρg=12ωg]]>其中ωv和ωg是樹葉和土壤的單散射反照率。
這些反照率可以由通過GER獲得的反射比因子加以近似。
通過這種方式，在SWIR區(qū)域(1540nm)植物樹葉看起來相當(dāng)暗。這可能意味著較對樹葉而言激光雷達將對莖更易響應(yīng)。同樣它對森林中非植物目標(biāo)的靈敏度具有軍事和其它探測潛力。
如果ECHIDNA_被“向下指向”或機載激光雷達采用1540nm的激光器，則所感興趣的因子是下述比率ρvρg=25ωvωk]]>這被繪制于圖7.8中，用做分析檢驗中的信息。
實際上較SWIR而言所述比率在可視區(qū)域較低，但是在SWIR中高的非植物反射比具有將立體對象定位在濃密樹葉區(qū)域的吸引力。
除了就本發(fā)明從前所列出的特定優(yōu)點以外，本申請的主題、本發(fā)明在其各個方面將被看成具有優(yōu)于用于評定植物冠層的公知系統(tǒng)和方法的若干優(yōu)點。
本發(fā)明克服了機載和宇宙飛行器載激光雷達由于其局限性的掃描和從激光雷達導(dǎo)出數(shù)據(jù)的方法導(dǎo)致的盲區(qū)(blindness)，這在從前一直沒有考慮到是可以實現(xiàn)的。
確定冠層的這些方面當(dāng)中的高價值是使用激光雷達束變化的大小和形狀。這與更加通?？色@得的距離和波形數(shù)據(jù)相結(jié)合后，使在此所說明的產(chǎn)物比從現(xiàn)有激光雷達或任何其它森林測量系統(tǒng)目前可獲得的產(chǎn)物更加豐富。
從前被利用的大范圍方法學(xué)和形態(tài)學(xué)運算可以被重新賦予生命力，以判讀數(shù)據(jù)并且還可以得到用于冠層結(jié)構(gòu)測量的迄今為止尚未被利用的許多其它領(lǐng)域。
就從根據(jù)本發(fā)明各個方面的激光雷達技術(shù)可以導(dǎo)出的測量角度而言，森林測量可以得到加強。
環(huán)境假定可獲得足夠的地面激光雷達及其它數(shù)據(jù)以對機載系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，則有可能測繪植物覆蓋的三個主要層并且為每個層提供按照從1∶20,000到1∶50,000比例的覆蓋/高度圖。目前并沒有獲得有關(guān)結(jié)構(gòu)(如冠大小、冠長度比及生長形式)的信息。此外，與當(dāng)前的視頻或掃描器技術(shù)相組合-或與當(dāng)前的衛(wèi)星數(shù)據(jù)相組合，VSIS包括一個用于取得NVIS測繪所需要的相當(dāng)多數(shù)據(jù)的完整系統(tǒng)。
林業(yè)在天然森林(Native Forests)中，ECHIDNA_可以提供作為高度、平均樹葉角度函數(shù)的被分層的BA、DBH、密度、FAI并且具有提供冠層長度比及冠大小的潛力。這些可以被封裝(package)到便攜式系統(tǒng)內(nèi)，用于在若干森林生境中的精確測量。VSIS可以按照從1∶20，000到1∶50,000的比例在類似森林群落的寬面積上擴充這些數(shù)據(jù)。
所述系統(tǒng)的特定產(chǎn)物輸出包括在胸高處的直徑(DBH)、樹木密度(λ)、主控層的高度(h)、冠直徑(D)、厚度或長度(T)、冠長度比(被測量為T/h)、基面積(BA)、原木體積(V)、冠層郁閉(CC或CAD)、林段高度曲線。
有關(guān)林場，其產(chǎn)物或輸出與天然森林的相同，但是強度和比例更為詳細。ECHIDNA_/VSIS組合或僅僅ECHIDNA_的可用性提供了比目前清查應(yīng)用具有更多細節(jié)的廣泛清查。
碳ECHIDNA_/VSIS組合提供了尋找生物量估算的有效結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型。所述組合與有關(guān)地面上生物量及根莖生物量的森林生境數(shù)據(jù)相結(jié)合提供了新數(shù)據(jù)關(guān)系的機會。
權(quán)利要求
1.一種基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的方法，所述方法包括產(chǎn)生多個激光能量的脈沖束，所述束具有選擇性可變化的寬度和形狀；選擇性地變化所述束的寬度和形狀；將所述束導(dǎo)引向被分散的對象；測量由所述被分散的對象所返回的信號的時間和/或相位以及強度；以及為每個束寬度和束形狀計算被分散對象的視在反射比，所述反射比作為被分散對象的距離的函數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的方法，以及包括根據(jù)所計算的視在反射比來校準(zhǔn)設(shè)備。
3.一種基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括激光雷達裝置，其用于產(chǎn)生多個具有選擇性可變化的寬度和形狀的激光能量脈沖束、用于選擇性地改變所述束的寬度和形狀、以及用于將所述束導(dǎo)引向分散對象；測量裝置，其用于測量由所述分散對象所返回信號的時間和/或相位以及強度，以及計算裝置，其用于計算針對每個束寬度和束形狀作為分散對象的距離函數(shù)的被分散對象的視在反射比；借此所述系統(tǒng)根據(jù)所計算的視在反射比被校準(zhǔn)。
4.如權(quán)利要求1所述基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的方法，其中所述方法勘查森林并且測量森林中植物冠層的空間結(jié)構(gòu)和覆蓋。
5.如權(quán)利要求3所述基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)勘查森林并且測量森林中植物冠層的空間結(jié)構(gòu)和覆蓋。
6.如權(quán)利要求4所述基于地面的用于勘查森林的方法，所述方法包括通過受控制的束大小、距離和掃描角的變化，將樹葉叢生的阻塞效應(yīng)加以考慮。
7.如權(quán)利要求4所述基于地面的用于勘查森林的方法，所述方法包括通過受控制的束大小和/或形狀及/或距離及/或掃描角的變化，將物體定向及/或樹葉分布角的效應(yīng)加以考慮。
8.如權(quán)利要求4所述基于地面的用于勘查森林的方法，所述方法包括通過受控制的束大小、距離的變化，并且通過采用返回脈沖強度的高抽樣率、小脈沖寬度及適合的信噪比，將散射體密度與反射率之間的折衷加以考慮。
9.如權(quán)利要求1所述基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的方法，其中所述方法勘查個別的測量樹木并且導(dǎo)出與此相關(guān)的統(tǒng)計信息。
10.如權(quán)利要求1所述基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)勘查個別的測量樹木并且導(dǎo)出與此相關(guān)的統(tǒng)計信息。
全文摘要
一種基于地面的用于確定在透射介質(zhì)中被分段且空間上變化地分散的對象的空間統(tǒng)計的方法被公開，其通過產(chǎn)生多個激光能量的脈沖束，所述束具有選擇性可變化的寬度和形狀；選擇性地變化所述束的寬度和形狀；將所述束導(dǎo)引向被分散的對象；測量由所述被分散的對象所返回的信號的時間和/或相位以及強度；以及為每個束寬度和束形狀計算被分散對象的視在反射比，所述反射比作為被分散對象的距離的函數(shù)。
文檔編號G01S17/00GK1502047SQ02807968
公開日2004年6月2日 申請日期2002年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月9日
發(fā)明者D·L·B·朱普, D·A·帕金, G·V·波羅帕特, J·L·羅維爾, D L B 朱普, 帕金, 波羅帕特, 羅維爾 申請人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織