Open software and standards in the realm of laser scanning technology

Abstract This review aims at introducing laser scanning technology and providing an overview of the contribution of open source projects for supporting the utilization and analysis of laser scanning data. Lidar technology is pushing to new frontiers in mapping and surveying topographic data. The open source community has supported this by providing libraries, standards, interfaces, modules all the way to full software. Such open solutions provide scientists and end-users valuable tools to access and work with lidar data, fostering new cutting-edge investigation and improvements of existing methods. The first part of this work provides an introduction on laser scanning principles, with references for further reading. It is followed by sections respectively reporting on open standards and formats for lidar data, tools and finally web-based solutions for accessing lidar data. It is not intended to provide a thorough review of state of the art regarding lidar technology itself, but to provide an overview of the open source toolkits available to the community to access, visualize, edit and process point clouds. A range of open source features for lidar data access and analysis is provided, providing an overview of what can be done with alternatives to commercial end-to-end solutions. Data standards and formats are also discussed, showing what are the challenges for storing and accessing massive point clouds. The desiderata are to provide scientists that have not yet worked with lidar data an overview of how this technology works and what open source tools can be a valid solution for their needs in analysing such data. Researchers that are already involved with lidar data will hopefully get ideas on integrating and improving their workflow through open source solutions

Entwicklung von Full-Waveform Stackingverfahren zur Detektion schwacher Gewässerbodenechos in der Laserbathymetrie

Airborne Laserbathymetrie stellt eine effiziente und flächenhafte Messmethode für die Erfassung der sich ständig im Wandel befindlichen Gewässersohlen von Inlandgewässern und küstennahen Flachwasserbereichen dar. Bei diesem Verfahren wird ein kurzer grüner Laserpuls ausgesandt, welcher mit allen Objekten entlang des Laserpulspfades interagiert (z.B. Wasseroberfläche und Gewässerboden). Die zum Sensor zurückgestreuten Laserpulsanteile (Echos) werden in einem zeitlich hochaufgelösten Messsignal (Full-Waveform) digitalisiert und gespeichert. Allerdings ist das Messverfahren aufgrund von Gewässertrübung in seiner Eindringtiefe in den Wasserkörper limitiert. Die Gewässerbodenechos werden bei zunehmender Gewässertiefe schwächer, bis sie nicht mehr zuverlässig detektierbar sind. Diese Arbeit zeigt, wie mit neuartigen Methoden schwache Gewässerbodenechos in Full-Waveforms detektiert werden können, welche durch die Standardauswerteverfahren nicht mehr berücksichtigt werden. Im Kernstück der Arbeit werden zwei Verfahren vorgestellt, die auf einer gemeinsamen Auswertung dicht benachbarter Messdaten basieren. Unter der Annahme eines stetigen Gewässerbodens mit geringer bis moderater Geländeneigung führt die Zusammenfassung mehrerer Full-Waveforms zu einer Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses und einer Verstärkung von schwachen Gewässerbodenechos, welche folglich zuverlässiger detektiert werden können. Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Erhöhung der auswertbaren Gewässertiefe (bis zu +30 %), wodurch eine deutlich größere Fläche des Gewässerbodens abgedeckt werden konnte (Flächenzuwachs von bis zu +113 %). In umfassenden Analysen der Ergebnisse konnte nachgewiesen werden, dass die hinzugewonnenen Gewässerbodenpunkte eine gute Repräsentation des Gewässerbodens darstellen. Somit leisten die in dieser Arbeit entwickelten Verfahren einen wertvollen Beitrag zur Steigerung der eingangs beschriebenen Effizienz der Airborne Laserbathymetrie.:Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Ziele der Dissertation 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Einführung in bathymetrische Messverfahren 2.1 Hydrographie und Bathymetrie 2.2 Airborne LiDAR Bathymetrie 2.2.1 Grundlagen Airborne Laserscanning 2.2.2 Der Pfad des Laserpulses 2.2.3 Fehlereinflüsse 2.3 Die Full-Waveform 2.3.1 Aufbau und Merkmale einer Full-Waveform 2.3.2 Systemwaveform 2.3.3 Full-Waveform Auswerteverfahren 2.4 Hydroakustische Messverfahren 2.4.1 Messprinzip 2.4.2 Echolot Varianten 2.4.3 Fehlereinflüsse 3 Nichtlineare Full-Waveform Stacking-Verfahren zur Detektion und Extraktion von Gewässerbodenpunkten – Beitrag 1, Beitrag 2, Beitrag 3 3.1 Signalbasiertes nichtlineares Full-Waveform Stacking 3.2 Volumetrisches nichtlineares Ortho-Full-Waveform Stacking 4 Anwendung von nichtlinearen Full-Waveform Stacking-Methoden auf maritime Gewässer – Beitrag 4 4.1 Studiengebiet in der Nordsee 4.2 Datengrundlage 4.3 Erste Ergebnisse einer Pilotstudie in küstennahen Bereichen der Nordsee 4.4 Untersuchungsgebiet 4.5 Klassifikation der Wasseroberflächenpunkte 4.6 Visualisierung der Ergebnisse 4.7 Genauigkeit und Zuverlässigkeit 4.8 Mehrwert der Verfahren 5 Potential der Full-Waveform Stacking-Methoden zur Ableitung der Gewässertrübung – Beitrag 5 6 Diskussion und weiterführende Arbeiten 6.1 Geometrische Modellierung der Laserpulsausbreitung 6.2 Einfluss der Gewässereigenschaften auf die Gewässerbodenbestimmung 6.3 Unterschätzung der Wasseroberfläche 6.4 Nutzung von Gewässertrübungsinformation für die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Gewässertiefenbestimmung 6.5 Auswirkung der Nachbarschaftsdefinition beim signalbasiertem Full-Waveform Stacking 6.6 Gegenüberstellung signalbasiertes und volumetrisches Full-Waveform Stacking 6.7 Erweiterung des Full-Waveform Stackings mit dem Multi-Layer-Ansatz 7 Fazit der Dissertation 7.1 Zusammenfassung 7.2 Einordnung der Dissertation 7.3 Mehrwert der Dissertation Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis AbkürzungsverzeichnisAirborne laser bathymetry is an efficient and area-wide measurement method for the detection of the permanently changing water bottoms of inland waters and shallow water areas close to the coast. In this method, a short green laser pulse is emitted, which interacts with all objects along the laser pulse path (e.g. water surface and bottom). The backscattered laser pulse components (echoes) are digitized and stored in a high temporal resolution measurement signal (full-waveform). However, the measurement method is limited in its penetration depth into the water body due to water turbidity. The water bottom echoes become weaker as the water depth increases until they are no longer reliably detectable. This work shows how novel methods can be used to detect weak water bottom echoes in full-waveforms that are no longer accounted for by standard processing methods. In the core of the work, two methods are presented which are based on a joint evaluation of closely adjacent measurement data. Under the assumption of a steady water bottom with low to moderate slope, the combination of several full-waveforms leads to an improvement of the signal-to-noise ratio and an enhancement of weak water bottom echoes, which consequently can be detected more reliably. The results show a significant increase in the analyzable water depth (up to +30 %), allowing a much larger area of the water bottom to be covered (increase up to +113 %). Comprehensive analyses of the results proved that the added water bottom points are a good representation of the water bottom. Thus, the methods developed in this work constitute a valuable contribution to increase the efficiency of airborne laser bathymetry described at the beginning.:Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Ziele der Dissertation 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Einführung in bathymetrische Messverfahren 2.1 Hydrographie und Bathymetrie 2.2 Airborne LiDAR Bathymetrie 2.2.1 Grundlagen Airborne Laserscanning 2.2.2 Der Pfad des Laserpulses 2.2.3 Fehlereinflüsse 2.3 Die Full-Waveform 2.3.1 Aufbau und Merkmale einer Full-Waveform 2.3.2 Systemwaveform 2.3.3 Full-Waveform Auswerteverfahren 2.4 Hydroakustische Messverfahren 2.4.1 Messprinzip 2.4.2 Echolot Varianten 2.4.3 Fehlereinflüsse 3 Nichtlineare Full-Waveform Stacking-Verfahren zur Detektion und Extraktion von Gewässerbodenpunkten – Beitrag 1, Beitrag 2, Beitrag 3 3.1 Signalbasiertes nichtlineares Full-Waveform Stacking 3.2 Volumetrisches nichtlineares Ortho-Full-Waveform Stacking 4 Anwendung von nichtlinearen Full-Waveform Stacking-Methoden auf maritime Gewässer – Beitrag 4 4.1 Studiengebiet in der Nordsee 4.2 Datengrundlage 4.3 Erste Ergebnisse einer Pilotstudie in küstennahen Bereichen der Nordsee 4.4 Untersuchungsgebiet 4.5 Klassifikation der Wasseroberflächenpunkte 4.6 Visualisierung der Ergebnisse 4.7 Genauigkeit und Zuverlässigkeit 4.8 Mehrwert der Verfahren 5 Potential der Full-Waveform Stacking-Methoden zur Ableitung der Gewässertrübung – Beitrag 5 6 Diskussion und weiterführende Arbeiten 6.1 Geometrische Modellierung der Laserpulsausbreitung 6.2 Einfluss der Gewässereigenschaften auf die Gewässerbodenbestimmung 6.3 Unterschätzung der Wasseroberfläche 6.4 Nutzung von Gewässertrübungsinformation für die Beurteilung der Zuverlässigkeit der Gewässertiefenbestimmung 6.5 Auswirkung der Nachbarschaftsdefinition beim signalbasiertem Full-Waveform Stacking 6.6 Gegenüberstellung signalbasiertes und volumetrisches Full-Waveform Stacking 6.7 Erweiterung des Full-Waveform Stackings mit dem Multi-Layer-Ansatz 7 Fazit der Dissertation 7.1 Zusammenfassung 7.2 Einordnung der Dissertation 7.3 Mehrwert der Dissertation Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichni

Estimation of canopy structure and individual trees from laser scanning data

During the last fifteen years, laser scanning has emerged as a data source for forest inventory. Airborne laser scanning (ALS) provides 3D data, which may be used in an automated analysis chain to estimate vegetation properties for large areas. Terrestrial laser scanning (TLS) data are highly accurate 3D ground-based measurements, which may be used for detailed 3D modeling of vegetation elements. The objective of this thesis is to further develop methods to estimate forest information from laser scanning data. The aims are to estimate lists of individual trees from ALS data with accuracy comparable to area-based methods, to collect detailed field reference data using TLS, and to estimate canopy structure from ALS data. The studies were carried out in boreal and hemi-boreal forests in Sweden. Tree crowns were delineated in three dimensions with a model-based clustering approach. The model-based clustering identified more trees than delineation of a surface model, especially for small trees below the dominant tree layer. However, it also resulted in more erroneously delineated tree crowns. Individual trees were estimated with statistical methods from ALS data based on field-measured trees to obtain unbiased results at area level. The accuracy of the estimates was similar for delineation of a surface model (stem density root mean square error or RMSE 32.0%, bias 1.9%; stem volume RMSE 29.7%, bias 3.8%) as for model-based clustering (stem density RMSE 33.3%, bias 1.1%; stem volume RMSE 22.0%, bias 2.5%). Tree positions and stem diameters were estimated from TLS data with an automated method. Stem attributes were then estimated from ALS data trained with trees found from TLS data. The accuracy (diameter at breast height or DBH RMSE 15.4%; stem volume RMSE 34.0%) was almost the same as when trees from a manual field inventory were used as training data (DBH RMSE 15.1%; stem volume RMSE 34.5%). Canopy structure was estimated from discrete return and waveform ALS data. New models were developed based on the Beer-Lambert law to relate canopy volume to the fraction of laser light reaching the ground. Waveform ALS data (canopy volume RMSE 27.6%) described canopy structure better than discrete return ALS data (canopy volume RMSE 36.5%). The methods may be used to estimate canopy structure for large areas

Comparison of sea-ice freeboard distributions from aircraft data and cryosat-2

The only remote sensing technique capable of obtain- ing sea-ice thickness on basin-scale are satellite altime- ter missions, such as the 2010 launched CryoSat-2. It is equipped with a Ku-Band radar altimeter, which mea- sures the height of the ice surface above the sea level. This method requires highly accurate range measure- ments. During the CryoSat Validation Experiment (Cry- oVEx) 2011 in the Lincoln Sea, Cryosat-2 underpasses were accomplished with two aircraft, which carried an airborne laser-scanner, a radar altimeter and an electro- magnetic induction device for direct sea-ice thickness re- trieval. Both aircraft flew in close formation at the same time of a CryoSat-2 overpass. This is a study about the comparison of the sea-ice freeboard and thickness dis- tribution of airborne validation and CryoSat-2 measure- ments within the multi-year sea-ice region of the Lincoln Sea in spring, with respect to the penetration of the Ku- Band signal into the snow

Journal of Applied Hydrography

Fokusthema: Fernerkundung und Laserbathymetri