基于知識圖譜的激光雷達技術可視化分析

楊利金 張守忠 王 蕾

（1.黑龍江科技大學礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.東北林業大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江省寒區園林植物種質資源開發與景觀生態修復重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040）

信息化世界的到來對各行各業的發展提出了更加精細化的要求。遙感技術作為一種宏觀、實時以及動態范圍大的新興對地觀測技術，通過借助不同時空尺度下，光學、微波不同波長傳感器的觀測成像優勢，克服了許多行業在調查過程中存在人為因素干擾、周期長以及過多人力物力資源投入等缺陷[1-2]。其中，激光雷達技術（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種新興的主動遙感技術，以提供包括高度的三維空間信息，彌補了傳統光學被動遙感只能提供二維平面信息的缺陷。激光雷達技術憑借精準的測距能力和高精度的三維空間信息，被廣泛應用于林業、農業、測繪、氣象和建筑業等領域[3]。因此，研究激光雷達技術的研究熱點和發展能夠挖掘該技術在不同領域內的發展潛力和應用現狀，對進一步發展、應用激光雷達技術具有重要意義。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

該文選擇Science Citation Index（科學引文檢索）數據庫中Web of Science核心合集數據庫的文獻作為激光雷達技術研究文獻的數據庫來源。為了提高檢索的精確度，將檢索主題設置為“Light Detection and Ranging”和“lidar”，時間跨度為2000—2021年，共檢索到4 351條文獻記錄數據。將檢索到的文獻記錄數據以純文本的文件格式進行輸出，導入CiteSpace知識可視化分析軟件中進行預處理，最終得到以年為單位的激光雷達領域的有效文獻記錄數據4 340篇，其中期刊4 237篇，評論103篇。

1.2 研究方法

科學知識圖譜是科學計量學的新發展領域，能夠以圖形的方式來表示研究內容的發展進程與結構關系，可以形象地展示各知識單元或知識群之間的復雜關系[4]。可視化分析是指用直觀的、便于理解的圖形、圖像來代替數據和符號，便于全面、形象且具體地表示數據的內在含義[5]。其中，CiteSpace可視化分析軟件綜合了以上2種方法的優勢，該軟件是由美國德雷克塞爾大學信息科學與技術學院學者陳超美教授基于Java語言開發的一款可視化軟件。在研究中使用CiteSpace軟件的研究機構共現分析、共詞網絡分析以及合作網絡分析功能，對生成的知識圖譜進行解讀時，主要針對高頻節點、高中介中心性和突現性的節點，從各個方面來分析目前激光雷達技術的研究現狀，直觀地表達相關研究的發展趨勢。

2 激光雷達技術研究的時空知識圖譜及分析

2.1 時間分布圖譜

按年度對檢索到的研究文獻進行統計，并繪制成激光雷達領域研究文獻的時序分布圖，如圖1所示。由圖1可以看出，2003—2007年激光雷達技術的研究尚處于初步探索階段，雖然激光雷達技術于20世紀60年代已經問世，但是這期間年均發文量均少于100篇，說明學者們對激光雷達的研究才剛剛起步，尚不成體系；2008—2017年是緩慢增長階段，學者們對激光雷達技術的研究開始逐年上升，除2010—2011年的年增長量超過50篇，其余年增長量均小于50篇且出現綜合性的研究；2018年以來，激光雷達技術快速增長且年增長量大于50篇，表明研究受到學者們的關注，進入蓬勃發展階段。相關研究的發文量在2020年達到最大值（652篇），這說明雖然2020年世界遭受了新冠疫情的影響，但卻未影響學者們對激光雷達技術的研究，目前，截至2021年3月的文獻發表數量為139篇，但按該增長態勢來看，2021年激光雷達技術仍是研究的熱點領域之一，文獻發表數量將再創新高。通過對激光雷達領域的年發表文獻數量進行可視化分析可以說明，當前激光雷達技術領域的研究仍然是學界的研究熱點。

圖1 激光雷達領域研究文獻的時序分布圖

2.2 空間分布圖譜

通過對相關文獻的研究機構進行合作網絡特征分析，可以深入探究該領域內學者所在機構之間的合作關系特征[6]。圖2中共有584個節點，其中美國航空航天局、中國科學院以及不列顛哥倫比亞大學3個節點存在紫色的外圈，表明具有高中介中心性，中介中心度分別為0.19、0.16和0.12。中介中心性是測度節點在網絡中重要性的一個指標，如果一個節點的中介中心度越高，就證明該節點在該網絡中的重要性越大[7]。

研究機構知識圖譜中的中國科學院節點明顯大于其他節點，其中介中心度為0.16，說明該節點是激光雷達技術研究領域的關鍵樞紐，與其他大多數研究機構聯系密切。從節點大小上可以判斷研究機構發文量的數量關系；圖2中，中國科學院、武漢大學、美國林業部·美國森林服務、不列顛哥倫比亞大學、美國地質調查局以及美國航空航天局等節點明顯大于其他節點，說明以上研究機構在該領域的發文量明顯多于其他研究機構；觀察知識圖譜中研究機構節點的顏色可以發現，大多數節點的顏色是由內向外逐漸變淺，并且隨著年份的增加，每年的年輪寬度是逐漸增寬的，說明激光雷達領域的文獻數量逐年增加，其相關研究正處于上升期和蓬勃發展階段。各個節點間的淺色連線線段的不斷增加也表明了各個研究機構之間的聯系和合作交流也在不斷增加。

圖2 研究機構共現知識圖譜

排名前20位的研究機構總發文量為1 296篇（見表1），其中發文量超過100篇的有中國科學院和武漢大學，合計發文336篇，占總發文量的25.9%；發文量前5位的機構共有6所，分別是中國科學院、武漢大學、美國林業部·美國森林服務、不列顛哥倫比亞大學、美國地質調查局和美國航空航天局，占發文總量的50.8%，說明激光雷達領域的發文量主要集中在前6所機構，其他機構的發文量相對較少，集聚特征明顯。從國家來看，主要研究機構分布在中國、美國和加拿大；其中，中國研究機構的數量有6個，發文量為516篇，占發文總量的39.8%；美國研究機構的數量為10個，發文量為566篇，占發文總量的43.7%，2個國家的機構占比和發文量分別達80%、83.5%，是最主要的研究國。加拿大的研究機構有4個，發文量僅為214篇，占發文總量的16.5%，上述數據表明我國研究機構對激光雷達的研究更為密集、系統，而美國研究機構則較為分散。

表1 主要研究機構地域分布和發文量統計

3 研究熱點與研究前沿分析

3.1 研究熱點分析

詞頻是指所分析的文獻中關鍵詞出現的次數，該研究運用的詞頻分析法是借助CiteSpace軟件來提取激光雷達技術文獻中能夠表達其核心內容的關鍵詞或主題詞，根據關鍵詞的詞頻大小來研究該領域發展動向和研究熱點的方法。不同時期出現的高頻詞匯代表了當時的研究熱點與學術前沿，圖3是激光雷達技術研究文獻的關鍵詞共現知識圖譜。從圖3中可看出，激光雷達技術的研究熱點主要集中于激光雷達、模型、機載激光雷達、分類、遙感、植被、生物量、森林、算法以及高度等方面。

圖3 關鍵詞共現知識圖譜

將表2中的高頻率關鍵詞按中介中心度的大小進行排序，排名前三名的關鍵詞是分類、機載激光雷達和植被，其中介中心度分別是0.05、0.04和0.03，表明分類、機載激光雷達和植被是研究的主要領域。最早應用激光雷達數據/技術來進行分類的研究始于2004年，學者們基于激光雷達數據的特點，通過對分類地面像素進行新的插值來得出數字地形模型，其研究呈總體上升的趨勢，研究論文總計361篇。在2020年以分類為關鍵詞的激光雷達技術研究文獻數據量達到最大值，共計62篇；以機載激光雷達為關鍵詞的研究文獻共計403篇，自2004年學者們開啟了應用機載激光雷達數據的新紀元，2009年相關領域的研究文獻才超過10篇，2020年的年發表量最大（51篇）；以植被為關鍵詞的研究文獻共計290篇，其中被引用最多的研究文獻是2008年Kerri等學者簡要概述了激光雷達技術，討論了激光雷達數據在動物棲息地關系調查中的最新應用，并建議將該技術應用到廣泛物種管理和保護上[8]，引用頻次高達338次。

表2 激光雷達技術研究論文中高頻率關鍵詞

綜合CiteSpace軟件提取的高頻率關鍵詞與Web of Science上的研究方向，可以發現激光雷達技術的研究主要集中在遙感、影像科學與攝影技術、環境與生態科學、工程學、地質學以及自然地理學方面。同時，激光雷達技術已應用到林業、礦業、建筑測量、地形測繪、自然災害評估以及無人駕駛等研究領域。

3.2 研究前沿分析

關鍵詞突現圖譜可以反映某一時期激光雷達技術的研究方向和研究前沿，突現性強的關鍵詞的出現表明某時期學者發現了新的研究領域、研究視角，從而成為一定時期的學術前沿。由圖4可以觀察到共20個突現關鍵詞，其中樹高、冠層結構和基底面積為最早突現的關鍵詞，持續時間分別是2003—2012年、2003—2011年和2003—2012年，這表明激光雷達技術早期的研究重點是提取森林結構參數——樹高、冠層結構和胸高斷面積，且樹高和冠層結構的突現強度值排在前2名，表明激光雷達技術出現以來，學者們就認識到該技術在提取森林結構參數的優勢與重要性，因此森林結構參數——樹高、冠層結構等參數的提取成為學者們重點關注的對象。

圖4 關鍵詞突現知識圖譜

通過對所有關鍵詞的突現強度進行對比，發現激光掃描儀數據的突然強度值大于10，證明其是激光雷達技術研究過程中重要的轉折點。2007年開始突現的“氣溶膠”和“植被”、2008年的“多光譜圖像”、2010年的“小足跡激光雷達”以及2011年開始突現的“光檢測”等可以反映出一定范圍內這些研究熱點詞在當時的發展狀況。按照突現強度的大小，對激光雷達技術研究領域的關鍵詞進行排序，分別為冠層結構、樹高、激光掃描儀數據、支架、機載激光掃描、植被、小足跡、氣溶膠、高度/高程、樹干材積、數字地面模型、密度激光雷達、小足跡激光雷達、機載激光掃描儀、多光譜圖像、清點、基底面積、數字高程模型、體積以及光檢測，對以上關鍵詞進行總結歸納可知激光雷達技術領域的主要研究方向為森林結構參數、植被、滑坡、三維激光掃描、機載激光掃描技術、小足跡激光掃描、多源（多光譜）數據融合以及3D數據產品（數字高程模型、數字地表模型和數字地面模型）。

4 結論與展望

該文基于CiteSpace軟件，以知識圖譜的方式對2000—2021年Web of Science核心數據庫中的文獻進行可視化分析。主要結論如下：1） 激光雷達技術的研究經歷了初步探索（2003—2007年）、緩慢增長（2008—2017年）以及蓬勃發展（2018年以來）3個階段，研究機構主要集中在中美2個國家；其中，中國科學院是激光雷達技術研究領域的關鍵樞紐，發文量居第一位且與其他大多數研究機構聯系密切。2）遙感、影像科學與攝影技術、環境與生態科學、工程學、地質學以及自然地理學是激光雷達技術研究的熱點領域，主要運用多源數據（哨兵2號數據、激光雷達數據、地面高程數據和多光譜激光雷達數據等）進行研究區的特征提取、礦區地形監測、建筑測量、地表破裂變化及無人駕駛飛機系統的研究工作。3） 森林結構參數提取一直是激光雷達技術的研究重點。主要研究方向為森林結構參數、植被、滑坡、三維激光掃描、機載激光掃描技術、小足跡激光掃描、多源（多光譜）數據融合以及生產3D數據產品（數字高程模型、數字地表模型和數字地面模型）。

激光雷達技術的研究正處于蓬勃發展時期，研究成果也呈爆炸式增長。隨著激光雷達技術在多領域、多行業內的深入運用及高分辨率遙感技術的快速發展，未來激光雷達技術領域的研究將會被更廣泛、更深入地應用到各個領域中，中國在未來也將逐漸成為研究該領域的熱點國家。