基于知識圖譜的激光雷達技術(shù)可視化分析

楊利金 張守忠 王 蕾

（1.黑龍江科技大學礦業(yè)工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江省寒區(qū)園林植物種質(zhì)資源開發(fā)與景觀生態(tài)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(yè)的發(fā)展提出了更加精細化的要求。遙感技術(shù)作為一種宏觀、實時以及動態(tài)范圍大的新興對地觀測技術(shù)，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(yōu)勢，克服了許多行業(yè)在調(diào)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(shù)（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種新興的主動遙感技術(shù)，以提供包括高度的三維空間信息，彌補了傳統(tǒng)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(shù)憑借精準的測距能力和高精度的三維空間信息，被廣泛應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、測繪、氣象和建筑業(yè)等領(lǐng)域[3]。因此，研究激光雷達技術(shù)的研究熱點和發(fā)展能夠挖掘該技術(shù)在不同領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用現(xiàn)狀，對進一步發(fā)展、應(yīng)用激光雷達技術(shù)具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

該文選擇Science Citation Index（科學引文檢索）數(shù)據(jù)庫中Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫的文獻作為激光雷達技術(shù)研究文獻的數(shù)據(jù)庫來源。為了提高檢索的精確度，將檢索主題設(shè)置為“Light Detection and Ranging”和“l(fā)idar”，時間跨度為2000—2021年，共檢索到4 351條文獻記錄數(shù)據(jù)。將檢索到的文獻記錄數(shù)據(jù)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(lǐng)域的有效文獻記錄數(shù)據(jù)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(fā)展領(lǐng)域，能夠以圖形的方式來表示研究內(nèi)容的發(fā)展進程與結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以形象地展示各知識單元或知識群之間的復雜關(guān)系[4]?？梢暬治鍪侵赣弥庇^的、便于理解的圖形、圖像來代替數(shù)據(jù)和符號，便于全面、形象且具體地表示數(shù)據(jù)的內(nèi)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(yōu)勢，該軟件是由美國德雷克塞爾大學信息科學與技術(shù)學院學者陳超美教授基于Java語言開發(fā)的一款可視化軟件。在研究中使用CiteSpace軟件的研究機構(gòu)共現(xiàn)分析、共詞網(wǎng)絡(luò)分析以及合作網(wǎng)絡(luò)分析功能，對生成的知識圖譜進行解讀時，主要針對高頻節(jié)點、高中介中心性和突現(xiàn)性的節(jié)點，從各個方面來分析目前激光雷達技術(shù)的研究現(xiàn)狀，直觀地表達相關(guān)研究的發(fā)展趨勢。

2 激光雷達技術(shù)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(tǒng)計，并繪制成激光雷達領(lǐng)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(shù)的研究尚處于初步探索階段，雖然激光雷達技術(shù)于20世紀60年代已經(jīng)問世，但是這期間年均發(fā)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(shù)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(xiàn)綜合性的研究；2018年以來，激光雷達技術(shù)快速增長且年增長量大于50篇，表明研究受到學者們的關(guān)注，進入蓬勃發(fā)展階段。相關(guān)研究的發(fā)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(shù)的研究，目前，截至2021年3月的文獻發(fā)表數(shù)量為139篇，但按該增長態(tài)勢來看，2021年激光雷達技術(shù)仍是研究的熱點領(lǐng)域之一，文獻發(fā)表數(shù)量將再創(chuàng)新高。通過對激光雷達領(lǐng)域的年發(fā)表文獻數(shù)量進行可視化分析可以說明，當前激光雷達技術(shù)領(lǐng)域的研究仍然是學界的研究熱點。

圖1 激光雷達領(lǐng)域研究文獻的時序分布圖

2.2 空間分布圖譜

通過對相關(guān)文獻的研究機構(gòu)進行合作網(wǎng)絡(luò)特征分析，可以深入探究該領(lǐng)域內(nèi)學者所在機構(gòu)之間的合作關(guān)系特征[6]。圖2中共有584個節(jié)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(jié)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(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中重要性的一個指標，如果一個節(jié)點的中介中心度越高，就證明該節(jié)點在該網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大[7]。

研究機構(gòu)知識圖譜中的中國科學院節(jié)點明顯大于其他節(jié)點，其中介中心度為0.16，說明該節(jié)點是激光雷達技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵樞紐，與其他大多數(shù)研究機構(gòu)聯(lián)系密切。從節(jié)點大小上可以判斷研究機構(gòu)發(fā)文量的數(shù)量關(guān)系；圖2中，中國科學院、武漢大學、美國林業(yè)部·美國森林服務(wù)、不列顛哥倫比亞大學、美國地質(zhì)調(diào)查局以及美國航空航天局等節(jié)點明顯大于其他節(jié)點，說明以上研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的發(fā)文量明顯多于其他研究機構(gòu)；觀察知識圖譜中研究機構(gòu)節(jié)點的顏色可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)節(jié)點的顏色是由內(nèi)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(lǐng)域的文獻數(shù)量逐年增加，其相關(guān)研究正處于上升期和蓬勃發(fā)展階段。各個節(jié)點間的淺色連線線段的不斷增加也表明了各個研究機構(gòu)之間的聯(lián)系和合作交流也在不斷增加。

圖2 研究機構(gòu)共現(xiàn)知識圖譜

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

表1 主要研究機構(gòu)地域分布和發(fā)文量統(tǒng)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(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，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(shù)文獻中能夠表達其核心內(nèi)容的關(guān)鍵詞或主題詞，根據(jù)關(guān)鍵詞的詞頻大小來研究該領(lǐng)域發(fā)展動向和研究熱點的方法。不同時期出現(xiàn)的高頻詞匯代表了當時的研究熱點與學術(shù)前沿，圖3是激光雷達技術(shù)研究文獻的關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜。從圖3中可看出，激光雷達技術(shù)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(guān)鍵詞共現(xiàn)知識圖譜

將表2中的高頻率關(guān)鍵詞按中介中心度的大小進行排序，排名前三名的關(guān)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(lǐng)域。最早應(yīng)用激光雷達數(shù)據(jù)/技術(shù)來進行分類的研究始于2004年，學者們基于激光雷達數(shù)據(jù)的特點，通過對分類地面像素進行新的插值來得出數(shù)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(guān)鍵詞的激光雷達技術(shù)研究文獻數(shù)據(jù)量達到最大值，共計62篇；以機載激光雷達為關(guān)鍵詞的研究文獻共計403篇，自2004年學者們開啟了應(yīng)用機載激光雷達數(shù)據(jù)的新紀元，2009年相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻才超過10篇，2020年的年發(fā)表量最大（51篇）；以植被為關(guān)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(shù)，討論了激光雷達數(shù)據(jù)在動物棲息地關(guān)系調(diào)查中的最新應(yīng)用，并建議將該技術(shù)應(yīng)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(shù)研究論文中高頻率關(guān)鍵詞

綜合CiteSpace軟件提取的高頻率關(guān)鍵詞與Web of Science上的研究方向，可以發(fā)現(xiàn)激光雷達技術(shù)的研究主要集中在遙感、影像科學與攝影技術(shù)、環(huán)境與生態(tài)科學、工程學、地質(zhì)學以及自然地理學方面。同時，激光雷達技術(shù)已應(yīng)用到林業(yè)、礦業(yè)、建筑測量、地形測繪、自然災(zāi)害評估以及無人駕駛等研究領(lǐng)域。

3.2 研究前沿分析

關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜可以反映某一時期激光雷達技術(shù)的研究方向和研究前沿，突現(xiàn)性強的關(guān)鍵詞的出現(xiàn)表明某時期學者發(fā)現(xiàn)了新的研究領(lǐng)域、研究視角，從而成為一定時期的學術(shù)前沿。由圖4可以觀察到共20個突現(xiàn)關(guān)鍵詞，其中樹高、冠層結(jié)構(gòu)和基底面積為最早突現(xiàn)的關(guān)鍵詞，持續(xù)時間分別是2003—2012年、2003—2011年和2003—2012年，這表明激光雷達技術(shù)早期的研究重點是提取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)——樹高、冠層結(jié)構(gòu)和胸高斷面積，且樹高和冠層結(jié)構(gòu)的突現(xiàn)強度值排在前2名，表明激光雷達技術(shù)出現(xiàn)以來，學者們就認識到該技術(shù)在提取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)勢與重要性，因此森林結(jié)構(gòu)參數(shù)——樹高、冠層結(jié)構(gòu)等參數(shù)的提取成為學者們重點關(guān)注的對象。

圖4 關(guān)鍵詞突現(xiàn)知識圖譜

通過對所有關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強度進行對比，發(fā)現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)的突然強度值大于10，證明其是激光雷達技術(shù)研究過程中重要的轉(zhuǎn)折點。2007年開始突現(xiàn)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(xiàn)的“光檢測”等可以反映出一定范圍內(nèi)這些研究熱點詞在當時的發(fā)展狀況。按照突現(xiàn)強度的大小，對激光雷達技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進行排序，分別為冠層結(jié)構(gòu)、樹高、激光掃描儀數(shù)據(jù)、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(shù)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(shù)字高程模型、體積以及光檢測，對以上關(guān)鍵詞進行總結(jié)歸納可知激光雷達技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向為森林結(jié)構(gòu)參數(shù)、植被、滑坡、三維激光掃描、機載激光掃描技術(shù)、小足跡激光掃描、多源（多光譜）數(shù)據(jù)融合以及3D數(shù)據(jù)產(chǎn)品（數(shù)字高程模型、數(shù)字地表模型和數(shù)字地面模型）。

4 結(jié)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(shù)據(jù)庫中的文獻進行可視化分析。主要結(jié)論如下：1） 激光雷達技術(shù)的研究經(jīng)歷了初步探索（2003—2007年）、緩慢增長（2008—2017年）以及蓬勃發(fā)展（2018年以來）3個階段，研究機構(gòu)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(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵樞紐，發(fā)文量居第一位且與其他大多數(shù)研究機構(gòu)聯(lián)系密切。2）遙感、影像科學與攝影技術(shù)、環(huán)境與生態(tài)科學、工程學、地質(zhì)學以及自然地理學是激光雷達技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域，主要運用多源數(shù)據(jù)（哨兵2號數(shù)據(jù)、激光雷達數(shù)據(jù)、地面高程數(shù)據(jù)和多光譜激光雷達數(shù)據(jù)等）進行研究區(qū)的特征提取、礦區(qū)地形監(jiān)測、建筑測量、地表破裂變化及無人駕駛飛機系統(tǒng)的研究工作。3） 森林結(jié)構(gòu)參數(shù)提取一直是激光雷達技術(shù)的研究重點。主要研究方向為森林結(jié)構(gòu)參數(shù)、植被、滑坡、三維激光掃描、機載激光掃描技術(shù)、小足跡激光掃描、多源（多光譜）數(shù)據(jù)融合以及生產(chǎn)3D數(shù)據(jù)產(chǎn)品（數(shù)字高程模型、數(shù)字地表模型和數(shù)字地面模型）。

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