The influence of flying altitude, beam divergence, and pulse repetition frequency on laser pulse return intensity and canopy frequency distribution

Abstract

Eight airborne light detection and ranging (lidar) data collections were carried out over a forested and agricultural study site in Nova Scotia during 2005. The influences of flying altitude, beam divergence, and pulse repetition frequency on laser pulse return intensities and vertical frequency distributions within vegetated environments were investigated. Experimental control was maintained by varying each survey configuration setting independently while keeping all other settings constant. The land covers investigated were divided into highway, tall vegetation (mature and immature mixed wood regeneration stands), and short vegetation (hay field and potato crop). Laser pulse return data for 24 tall and 18 short vegetation plots were extracted, and the quartile heights of each vegetation profile were compared for each configuration. Observed laser pulse intensity values were found to be linearly related (coefficient of determination r² = 0.98) to the peak pulse power concentration. A simple routine was developed to allow intensity data to be normalized and made comparable across datasets. By comparing the intensity and laser pulse return profiles it was found that reducing the peak pulse power concentration by widening the beam, increasing the flying altitude, or increasing the pulse repetition frequency tends to lead to (i) slightly reduced penetration into short canopy foliage by up to 4 cm, and (ii) increased penetration into tall canopy foliage (i.e., reduced maximum canopy return heights) by 15-61 cm. It is believed that a reduction in peak pulse power concentration delays pulse triggering within vegetation (i.e., increases penetration of the pulse into foliage) due to the need for increased surface area backscatter to raise the return pulse energy above some minimal threshold within the timing electronics of the sensor. Exceptions to these general observations were found in the high pulse repetition frequency data, where increased sample point density results in (i) increased noise and height range in the lidar distribution data, and (ii) increased likelihood of ground returns in the tall canopies sampled due to increased probability of pulses encountering canopy gaps. The implications of these results are that (i) laser pulse peak power concentration is the largest determinant of pulse return intensity and survey configuration based variations in canopy frequency distribution, and (ii) laser pulse height- and intensity-based models developed for vegetation structural or biomass assessment could be improved if they accounted for variations in peak power concentration.

Huit campagnes d'acquisition de données lidar (« light detection and ranging ») aéroportées ont été réalisées au-dessus d'un site d'étude caractérisé par un couvert forestier et agricole en Nouvelle-Écosse, en 2005. Les influences de l'altitude de vol, de la divergence du faisceau et de la fréquence de récurrence des impulsions sur l'intensité des retours d'impulsion laser et les distributions de fréquence du balayage vertical au sein des environnements végétalisés ont été analysées. Un contrôle expérimental a été assuré en faisant varier de façon indépendante chaque réglage de configuration de relevé tout en maintenant les autres réglages constants. Les couverts analysés étaient constitués de route, ainsi que de végétation haute (peuplements matures et immatures de forêt mixte en régénération) et basse (foin et pomme de terre). Les données de retour d'impulsion laser ont été extraites pour 24 parcelles de végétation haute et 18 parcelles de végétation basse et les quartiles des hauteurs de chaque profil de végétation ont été comparés pour chacune des configurations. Les valeurs observées d'intensité d'impulsion laser se sont avérées linéairement corrélées (coefficient de détermination r² = 0,98) à la concentration de la puissance de crête des impulsions. Une routine simple a été développée pour permettre de normaliser les données d'intensité et les rendre comparables à travers les ensembles de données. En comparant les profils d'intensité et de retours d'impulsion laser, on a pu observer que la réduction de la concentration de la puissance de crête des impulsions, soit en élargissant la largeur du faisceau, en augmentant l'altitude de vol ou en augmentant la fréquence de récurrence des impulsions tend à entraîner : (i) un pouvoir de pénétration légèrement inférieur dans le feuillage de couvert bas pouvant atteindre jusqu'à 4 cm; (ii) un pouvoir de pénétration supérieur dans le feuillage de couvert haut (c.-à-d., hauteurs maximales des retours du couvert réduites) de 15 cm à 61 cm. Il y a lieu de croire qu'une réduction de la concentration de la puissance de crête des impulsions entraîne un délai dans le déclenchement de l'impulsion à l'intérieur de la végétation (c.-à-d., augmente la pénétration de l'impulsion dans le feuillage) dû à la nécessité d'une plus grande surface de rétrodiffusion pour augmenter l'énergie de l'impulsion de retour au-dessus d'un seuil minimal à l'intérieur des composantes électroniques de chronométrage du capteur. On a noté des exceptions par rapport à ces observations générales dans les données de fréquence élevée de récurrence des impulsions où la densité accrue des points d'échantillonnage résulte en : (i) un accroissement du bruit et de l'amplitude des hauteurs dans les données de distribution lidar; et (ii) une probabilité accrue de retours terrestres dans les couverts hauts échantillonnés dû à la probabilité accrue que les impulsions rencontrent des trous dans le couvert. Les implications de ces résultats sont à l'effet que : (i) la concentration de la puissance de crête des impulsions laser constitue le plus grand déterminant des variations basées sur l'intensité du retour d'impulsion et la configuration du relevé dans la distribution des fréquences du couvert; et (ii) les modèles basés sur la hauteur et l'intensité de l'impulsion laser développés pour l'évaluation de la structure ou de la biomasse de la végétation pourraient être améliorés s'ils tenaient compte des variations de la concentration de la puissance de crête.[Traduit par la Rédaction]