Full Waveform Topographic Lidar: State-of-the-Art. Le Lidar Topographique À Retour d’Onde Complète: État de l’Art

Full Waveform Topographic Lidar: State-of-the-Art

Le Lidar Topographique À Retour d’Onde Complète: État de l’Art

C. Mallet F. Bretar 

Laboratoire MATIS – Institut Géographique National 2-4 Avenue Pasteur, 94165 Saint-Mandé Cedex France

Page: 
385-409
|
Received: 
5 March 2007
|
Accepted: 
N/A
|
Published: 
31 December 2007
| Citation

OPEN ACCESS

Abstract: 

We present a survey of the literature available on full-waveform lidar systems and resulting data.This survey concerns satellite and aerial remote sensing using active systems.Full-waveform airborne laser scanning theoretical principles are first described as well as their technological applications.Besides,main full-wave sensors and their specifications are presented.Furthermore,a review of digitized received signal processes and extracted data analysis are tackled. Eventually,topics of interest dealing with the interpretation of full-waveform measures are discussed,especially vegetation structural parameters estimation and forest and urban modeling,showing the potentiality of such data.

Résumé

Nous présentons une étude bibliographique sur les systèmes lidar topographiques à retour d’onde complète, aussi nommés lidar full-waveform,ainsi que sur les données générées. Le contexte de cette étude se situe dans le domaine de la télédétection aérienne et spatiale par systèmes actifs. Les bases théoriques de ces systèmes sont tout d’abord décrites ainsi que les applications technologiques induites. Ensuite,nous présentons les principaux capteurs à retour d’onde complète avec les spécifications techniques. Alors,à la lumière d’articles publiés dans la littérature scientifique,nous abordons les mécanismes de traitement des données brutes,modélisation et analyse quantitative des données extraites. Enfin,les thématiques d’applications liées à la cartographie des milieux forestiers et urbains sont évoquées,mettant en avant le potentiel de ces données lidar.

Keywords: 

Airborne laser scanning,full-waveform lidar,literature survey,waveform analysis,topics of interest.

Mots clés

laser aéroporté,lidar à retour d’onde complète,état de l’art,analyse de l’onde retour,thématiques d’exploitation.

1. Introduction
2. Les Systèmes Lidar Topographiques
3. Typologie des Systèmes Lidar Full-Waveform
4. Modélisation de l’Onde Rétrodiffusée
5. Analyse Quantitative des Ondes Retour
6. Conclusion
  References

[AHOKAS et al., 2003] E.Ahokas, H.Kaartinen et J.Hyyppä. A Quality Assessment of Airborne Laser Scanner Data. In IAPRS, volume XXXIV-3/W13, pages 1-7, Dresde,Allemagne, Octobre 2003.

[AHOKAS et al., 2006] E.Ahokas, S.Kaasalainen, J.Hyyppä et J.Suomalainen. Calibration of the Optech ALTM-3100 laser scanner intensity data using brightness targets. In IAPRS, volume XXXVI-1, Paris, France, Juillet 2006. 

[ANDERSEN et al., 2005] H-E. Andersen, R.J. McGaughey et S. Reutebuch. Estimating forest canopy fuel parameters using LIDAR data. Remote Sensing of Environment, 94(6):441-449, 2005.

[BALTSAVIAS,1999a] E.P. Baltsavias. Airborne laser scanning:basic relations and formulas. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54:199-214, Décembre 1999. 

[BALTSAVIAS, 1999b] E.P. Baltsavias. Airborne laser scanning: existing systems and firms and other ressources. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54:164-198, Décembre 1999.

[BLAIR et al, 1999] J.B. Blair, D.L. Rabine et M.A. Hofton. The Laser Vegetation Imaging Sensor: a medium-altitude digitisation-only, airborne laser altimeter for mapping vegetation and topography. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54:115-122, 1999. 

[BLAIR et HOFTON, 1999] J.B. Blair et M.A. Hofton. Modeling Laser Altimeter Return Waveform Over Complex Vegetation Using HighResolution Elevation Data. Geophysical Research Letters, 26(16) :2509-2512, 1999. 

[BRENNER et al., 2003] A.Brenner, H.J. Zwally, C.Bentley, B.Csathó, D.J. Harding, M.Hofton, B.Minster, L.Roberts, J.Saba, R.Thomas et D.Yi. Derivation of Range and Range Distributions From Laser Pulse Waveform Analysis for Surface Elevations, Roughness, Slope, and Vegetation Heights. Rapport de recherche, Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) – Algorithm Theoretical Basis Document Version 4.1, 2003. 

[BRETAR, 2006] F.Bretar. Couplage de Données Laser Aéroporté et Photogrammétriques pour l’Analyse de Scènes Tridimensionnelles. Thèse de Doctorat, École Nationale Supérieure des Télécommunications de Paris, France, Juin 2006. 

[CARABAJAL et al.,1999] C.C. Carabajal, D.J. Harding, S.B. Luthcke, W. Fong, S.C. Rowton et J.J. Frawley. Processing of Shuttle Laser Altimeter range and return pulse data in support of SLA-02. In IAPRS, volume XXXII-3/W14, La Jolla, États-Unis, Novembre 1999. 

[CARLSSON et al., 2001] T.Carlsson, O.Steinvall et D.Letalick. Signature Simulation and Signal Analysis for 3-D Laser Radar. Rapport de Recherche FOI-R-0163-SE, FOI, 2001. 

[CHAUVE et al., 2007] A.Chauve, C.Mallet, F.Bretar, S.Durrieu, M. Pierrot-Deseilligny et W.Puech. Processing full-waveform lidar data: modelling raw signals. In IAPRS, volume XXXVI-3/W52, Espoo, Finlande, Septembre 2007. 

[DAY, 1969] N.E. Day. Estimating the components of a mixture of normal distributions. Biometrika, 56:463-474, 1969. 

[DER et al., 1997] S.Der, B.Redman et R.Chellapa. Simulation of error in optical radar range measurements. Applied Optics, 36(27):68696874, Septembre 1997.

[DRAKE et al., 2002] J.B. Drake, R.O. Dubayah, D.B. Clark, R.G. Knox, J.B. Blair, M.A. Hofton, R.L. Chazdon, J.F. Weishampel et S.D. Prince. Estimation of tropical forest structural characteristics using large-footprint lidar. Remote Sensing of Environment, 79(2-3):305319, 2002. 

[DROBINSKI et al., 2000] P.Drobinski, A.M. Dabas et P.H. Flamant. Remote measurement of turbulent wind spectra by heterodyne Doppler lidar technique. Journal of Applied Meteorology, 39(12):2434-2451, 2000. 

[DUBAYAH et al., 1997] R.Dubayah, J.B. Blair, J.L. Bufton, D.B. Clark, J.Ja Ja, R.Knox, S.B. Luthcke, S.Prince et J.Weishampel. The Vegetation Canopy Lidar Mission. In ASPRS, Land Satellite Information in the Next Decade II: Sources and Applications, pages 100-112, 1997. 

[DUBAYAHet BLAIR,2000] R.Dubayah et J.B. Blair. Lidar Remote Sensing for Forestry Applications. Journal of Forestry, 98(6):44-46, 2000. 

[DUCIC et al.,2006] V.Ducic, M.Hollaus, A.Ullrich, W.Wagner et T.Melzer. 3D Vegetation mapping and classification using full-waveform laser scanning. In EARSeL and ISPRS Workshop on 3D Remote Sensing in Forestry, pages 222-228, Vienne,Autriche, Février 2006. 

[FILIN, 2002] S.Filin. Surface clustering from airborne laser scanning data. In IAPRS, volume XXXIV-3A/B, pages 119-124, Graz, Autriche, Septembre 2002. 

[GLA, 2006] http://glas.gsfc.nasa.gov/. Site Web du système GLAS associé la mission ICESAT, 2006. Consulté le 14 novembre 2006. 

[GREEN, 1995] P.J. Green. Reversible Jump Markov Chain Monte-Carlo computation and Bayesian model determination. Biometrika, 57: 97-109, 1995. 

[GROSS et al., 2007] H.Gross, B.Jutzi et U.Thoennessen. Segmentation of tree regions using data of a full-waveform laser. In IAPRS, volume XXXVI, Part 3/W49A, pages 57-62, Munich,Allemagne, Septembre 2007. 

[GUENTHER et al., 2000] G.C. Guenther, A.G. Cunningham, P.E.La Rocque et D.J. Reid. Meeting the accuracy challenge in airborne lidar bathymetry. In Proc 20th EARSel Symposium: Workshop on Lidar Remote Sensing of Land and Sea, Juin 2000. 

[GUENTHER et MESICK, 1988] G.C. Guenther et H.C. Mesick. Analysis of airborne lidar bathymetric waveforms. In Proc. of SPIE Ocean Optics IX, volume 925, pages 232-241, 1988. 

[HAALA et BRENNER, 1999] N.Haala et C.Brenner. Extraction of buildings and trees in urban environments. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54(2-3):130-137, Juillet 1999.

[HARDING et al., 1999] D.J. Harding, D.B. Gesch, C.C. Carabajal et S.B. Luthcke. Application of the Shuttle Laser Altimeter in an accuracy assessment of GTOPO30, a global 1-kilometer digital elevation model. In IAPRS, volume XXXII-3/W14, La Jolla, États-Unis, Novembre 1999. 

[HARDING et al., 2001] D.J. Harding, M.A. Lefsky et G.G. Parker. Laser altimeter canopy heigh profiles. Methods and validation for closedcanopy, broadleaf forests. Remote Sensing of Environment, 76(9): 283-297, 2001. 

[HARTLEY et ZISSERMAN, 2000] R.Hartley et A.Zisserman. Multiple View Geometry in Computer Vision. Cambridge University Press, 2000. 

[HERNÁNDEZ-MARÍN et al.,2007] S.Hernández-Marín,A.M. Wallace et G.J. Gibson. Bayesian Analysis of Lidar Signals with Multiple Returns. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 29(12):2170-2180, Décembre 2007. 

[HOFTON et al., 2000] M.A. Hofton, J.B. Minster et J.B. Blair. Decomposition of Laser Altimeter Waveforms. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 38(4):1989-1996, 2000. 

[HOLMGREN et PERSSON, 2004] J.Holmgren et Å. Persson. Identifying species of individual trees using airborne laser scanner. Remote Sensing of Environment, 90(4):415-423, 2004. 

[HOLMGREN, 2003] J.Holmgren. Estimation of Forest Variables using Airborne Laser Scanning. Thèse de Doctorat, Swedish University of Agricultural Sciences, Umeå, Suède, 2003.

[HUG et al., 2004] C.Hug, A.Ullrich et A.Grimm. Litemapper-5600 – A Waveform-Digitizing LIDAR Terrain and Vegetation Mapping System. In IAPRS, volume XXXVI-8/W2, pages 24-29, Fribourg, Allemagne, Octobre 2004. 

[HUISING et PEREIRA, 1998] E.P.J. Huising et L.M.Gomes Pereira. Errors and accuracy estimates of laser data acquired by various laser scanning systems for topographic applications. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 53(5):1245-1261, 1998. 

[HYDE et al., 2005] P.Hyde, R.Dubayah, B.Peterson, J.B. Blair, M.Hofton, C.Hunsaker, R.Knox et W.Walker. Mapping forest structure for wildlife habitat analysis using waveform lidar: Validation of montane ecosystems. Remote Sensing of Environment, 96:427-437,Août 2005. 

[ICE, 2006] http://icesat.gsfc.nasa.gov/. Site Web de la mission ICESAT avec en particulier des informations techniques et des données sur le capteur GLAS, 2006. Consulté le 15 novembre 2006.

[JUTZI et al., 2005] B.Jutzi, J.Neulist et U.Stilla. Sub-pixel edge localization based on laser waveform analysis. In IAPRS, volume XXXVI3/W19, pages 109-114, Enschede, Pays-Bas, Septembre 2005.

[JUTZI et STILLA, 2003] B.Jutzi et U.Stilla. Laser pulse analysis for reconstruction and classification of urban objects. In IAPRS, volume XXXIV, Part 3/W8, pages 151-156, Munich, Allemagne, Septembre 2003. 

[JUTZI et STILLA, 2004] B.Jutzi et U.Stilla. Extraction of Features from Objects in urban areas using-space-time analysis of recorded laser pulses. In IAPRS, volume XXXV-B2, pages 1-6, Istanbul, Turquie, Juillet 2004. 

[JUTZI et STILLA, 2006] B.Jutzi et U.Stilla. Range determination with waveform recording laser systems using a Wiener Filter. ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 61:95-107, Septembre 2006. 

[KAASALAINEN et al., 2005] S.Kaasalainen, E.Ahokas, J.Hyyppä et J.Suomalainen. Study of Surface Brighteness From Backscattered Laser Intensity: Calibration of Laser Data. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2(3):255-259, Juillet 2005. 

[KASSER et EGELS, 2001] M.Kasser et Y.Egels. Photogrammétrie Numérique. Hermès, Lavoisier, 2001. 

[KIMES et al., 2006] D.S. Kimes, K.J. Ranson, G.Sun et J.B. Blair. Predicting lidar measured forest vertical structure from multi-angle spectral data. Remote Sensing of Environment, 100(4):503-511, Février 2006. 

[KOETZ et al., 2006] B.Koetz, F.Morsdorf, G.Sun, K.J. Ranson, K.Itten et B.Allgöwer. Inversion of a Lidar Waveform Model for Forest Biophysical Parameter Estimation. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 3(1):49-53, Janvier 2006. 

[KOTCHENOVA, 2005] S.Kotchenova. New approaches to retrieval and application of lidar-measured vegetation vertical canopy profiles. Thèse de Doctorat, University of Boston, États-Unis, 2005.

[LACHÉRADE et al., 2005] S.Lachérade, C.Miesch, X.Briottet et H.Le Men. Spectral variability and bidirectional reflectance behaviour of urban materials at a 20 cm spatial resolution in the visible and near infrared wavelengths. A case study over Toulouse (France). International Journal of Remote Sensing, 26(17):3859-3866, 2005. 

[LEFSKY et al., 1999] M.A. Lefsky, D.J. Harding, W.B. Cohen, G.G. Parker et H.H. Shugart. Surface lidar remote sensing of basal area and biomass in deciduous forests of eastern Maryland, USA. Remote Sensing of Environment, 68:83-98, 1999. 

[LEFSKY et al., 2002] M.A. Lefsky, W.B. Cohen, G.G. Parker et D.J. Harding. Lidar Remote Sensing for Ecosystem Studies. BioScience, 52:19-30, Janvier 2002. 

[LIM et al., 2003] K.Lim, P.Treitz, M.Wulder, B.Saint-Onge et M.Flood. Lidar remote sensing of forest structure. Progress in Physical Geography, 27(1):88-106, 2003. 

[LVI, 2007] http://lvis.gsfc.nasa.gov/. Site Web du capteur LVIS, 2003. Consulté le 9 janvier 2007. 

[MALLET et al., 2008] C.Mallet, A.Chauve et F.Bretar. Analyse et traitement d’ondes lidar pour la cartographie et la reconnaissance de formes: Application au milieu urbain. In Reconnaissance de Formes et Intelligence Artificielle (RFIA),Amiens, France, Janvier 2008.