Decomposition Techniques for Full-waveform Airborne Laser Scanning Data

• Autorzy: Słota M.

Identyfikatory

DOI

10.7494/geom.2014.8.1.61

Warianty tytułu

PL

Przegląd metod przetwarzania danych pochodzących z lotniczego skaningu laserowego z rejestracją pełnych profili energii

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article provides an overview of full-waveform airborne laser scanning data processing methods. Since 2004, when the first commercial small-footprint full-waveform LiDAR system was introduced, a vast amount of studies have been carried out on the potential of utilizing full-waveform data in various fields such as forestry, archaeology, urban areas modelling and point cloud classification, resulting in a range of approaches to the processing of full-waveform data. This research is an attempt to systematize the knowledge in this field. The first part of this paper presents a brief description of the full-waveform system. Then, the typical methods of data processing are described, starting from simple peak detection methods, followed by methods based on wave modelling using basic functions, and going on to an analysis focused on the correlation between an emitted and backscattered signal.

PL

W artykule zamieszczono przegląd podstawowych, najbardziej znanych metod przetwarzania pełnych profili energii zarejestrowanych przez systemy lidarowe. W klasycznych systemach lidarowych rejestrowana jest trójwymiarowa chmura punktów - cały proces obliczeniowy związany z wyznaczaniem odległości między mierzonym punktem a skanerem odbywa się w czasie rzeczywistym, z tego względu użytkownik nie dysponuje informacjami o wykorzystywanych metodach detekcji echa ani o dokładności wyznaczenia chmury punktów. Od 2004 roku na rynku dostępne są skanery przystosowane do rejestracji pełnych profili energii (tzn. ilości odbitej energii laserowej w czasie), które umożliwiają użytkownikowi implementację własnych, precyzyjnych metod ekstrakcji chmury punktów. W pierwszym rozdziale przybliżona została technika pozyskiwania danych typu full-waveform. Następnie omówiono proste algorytmy detekcji echa. W kolejnym rozdziale opisana została metoda dekompozycji sygnału oraz zamieszczony został wykaz najczęściej stosowanych funkcji bazowych wraz z charakterystyką i wzorami. Na końcu zaprezentowano metody przetwarzania sygnału bazujące na zależnościach korelacyjnych. Artykuł stanowi zwięzłą syntezę prowadzonych na całym świecie badań nad danymi full-waveform, zawiera informacje niezbędne dla osób, zajmujących się przetwarzaniem profili energii z systemów lidarowych.

Słowa kluczowe

EN

lidar; airborne laser scanning (ALS); full-waveform; peak detection; decomposition

PL

LIDAR; lotniczy skaning laserowy; profile energii; dekompozycja sygnału

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Geomatics and Environmental Engineering
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 8, no. 1
• Strony: 61--74
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Słota M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining Surveying and Environmental Engineering, Department of Geoinformation, Photogrammetry and Remote Sensing of Environment, Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Bretar F., Chauve A., Mallet C., Jutzi B.: Managing fuli waveform LIDAR data: A challenging task for the forthcoming years. The Internal Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVII-B1, 2008, pp. 415-420.
• [2] Chauve A., Mallet C, Bretar F., Durrieu S., Deseilligny M.P., Puech W.: Processing full-waveform lidar data: modelling raw signals. The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVI-3/W52, 2007, pp.102-107.
• [3] Hernandez-Marin S., Wallace A.M., Gibson G.J.: Bayesian analysis of lidar signals with multiple returns. Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on, vol. 29(12), 2007, pp. 2170-2180.
• [4] Jacovitti G., Scarano G.: Discrete time techniques for time delay estimation. Signal Processing, IEEE Transactions on, vol. 41(2), 1993, pp. 525-533.
• [5] Jutzi B., Stilla U.: Laser pulse analysis for reconstruction and classification of urban objects. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXIV-3/W8, 2003, pp. 151-156.
• [6] Jutzi B., Stilla U.: Range determination with waveform recording laser systems using a Wiener Filter. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 61(2), 2006, pp. 95-107.
• [7] Kirchhof M., Jutzi B., Stilla U.: Iteratwe processing of laser scanning data by full waveform analysis. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 63(1), 2008, pp. 99-114.
• [8] Mallet C, Bretar F., Roux M., Soergel U., Heipke C.: Relevance assessment of full-waveform lidar data for urban area classification. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 66(6), supplement, 2011, pp. S71-S84.
• [9] Mallet C., Bretar F.: Full-waveform topographic lidar: State-of-the-art. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 64(1), 2009, pp. 1-16.
• [10] Mallet C., Lafarge F., Bretar F., Soergel U., Heipke C.: Lidar waveform modeling using a marked point process. Image Processing (ICIP), IEEE, 16th IEEE International Conference, 2009, pp. 1713-1716.
• [11] Molnar B., Laky S., Toth C.: Using Full Waveform Data in Urban Areas. The International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVIII-3/W22, 2011, pp. 203-208.
• [12] Neuenschwander A., Magruder L., Gutierrez R.: Signal Processing Techniques for Feature Extraction and Classification using Small-Footprint Full-Waveform Airborne LIDAR. Geosdence and Remote Sensing Symposium, IEEE International, vol. 3, 2008, pp. 676-679.
• [13] Roncat A., Wagner W., Melzer T., Ullrich A.: Echo detection and localization in full-waveform airborne laser scanner data using the averaged square difference function estimator. The Photogrammetric Journal of Finland, vol. 21(1), 2008, pp. 62-75.
• [14] Słota M.: Prospects for improving the buildings edge detection algorithms based on full-waveform LIDAR information compared with the traditional multi-echo laser scanner data. 4th Doctoral Seminar on Geodesy and Cartograpy, Olsztyn, Poland, Wydawnictwo UWM, 2011, pp. 99-105.
• [15] Stuber G.L.: Pronciples of Mobile Comunication. Springer, 2001.
• [16] Toth Ch.K., Zaletnyik P., Laky S., Grejner-Brzezinska D.A.: Peak detection from full-waveform LiDAR data. International LiDAR Mapping Forum, New Orleans, Louisiana, February 7-9, 2011.
• [17] Wagner W., Ullrich A., Ducic V., Melzer T., Studnicka N.: Gaussian decomposition and calibration of a novel small-footprint full-waveform digitising airborne laser scanner. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. 60(2), 2006, pp. 100-112.
• [18] Wagner W., Ullrich A., Melzer T., Briese C, Kraus K.: From single-pulse to full-waveform airborne laser scanners: potential and practical challenges. The International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. XXXV-B3, 2004, pp. 201-206.
• [19] www.mathworks.com.
• [20] YuChing L., Mills J., Smith-Voysey S., Hill R., Rosette J., Suarez J.: Detection of weak and overlapping pulses from waveform airborne laser scanning data. SilviLaser 2008, 8th International Conference on LiDAR Applications in forest assessment and inventory, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK, 17-19 September, 2008, pp. 478-487.
• [21] Zhu J., Zhanga Z., Hu X., Lia Z.: Analysis and application of LiDAR waveform data using a progressive waveform decomposition method. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, vol. XXXVIII-5/W12, 2011, pp.31-36.