How did we get here? An early history of forestry lidar¹

AbstractFunctioning lasers were first demonstrated in 1960 in the United States and in 1961 in Canada and in the Soviet Union, but research into the use of lasers as forest measurement tools did not begin for another 15 years. Initially, with respect to Earth resources, lasers were employed to measure sea ice surface roughness, to make near-shore bathymetric measurements, to penetrate forests to make detailed topographic measurements, and to fluoresce oceanic phytoplankton for surface current studies. Some of these early studies noted that forest profiles were evident but in fact added noise to topographic retrievals. As early as 1964, researchers noted vegetation returns acquired using an airborne helium–neon (He–Ne), 0.63 μm, continuous wave (CW) laser. A decade and many airborne studies later, scientists with TRANARG, a mapping and surveying company in Caracas, Venezuela, reported on flights undertaken in 1976 that utilized a He–Ne lidar to collect over 11000 km of lidar profiles, spaced 1.5 km apart, to construct a topographic map to help site a new reservoir. Though they depended on the laser to penetrate vegetation, they noted 35–40 m median canopy heights with emergents up to 55 m in their profiles. Trees came to be regarded as a signal rather than noise in the mid-1970s. In 1976 in the Soviet Union, Russian researchers felled a birch and a spruce, aimed a He–Ne CW laser with a spot size of approximately 25 mm at the horizontal trees, produced a profilograph, compared it with tape measurements, and concluded that, with increased power, such a laser could be mounted on an aircraft to remotely measure forest canopies. In 1979, they mounted their He–Ne laser on an AN-2 biplane and acquired their first airborne profiles. These studies and others done prior to 1985, i.e., the first two decades of airborne laser research, are reviewed in this glance backwards at the history of forestry lidar.Les premiers lasers ont vu le jour en 1960 aux États-Unis et en 1961 au Canada et en l'Union Soviétique, mais les recherches portant sur l'utilisation des lasers comme instruments pour faire des mesures forestières n'ont débuté que 15 ans plus tard. En ce qui concerne l'étude des ressources terrestres, les lasers ont d'abord été utilisés pour mesurer la rugosité de la surface des glaces marines, faire des mesures bathymétriques à proximité des côtes, pénétrer au travers de la végétation afin d'obtenir des mesures topographiques détaillées sous couvert forestier, et aussi pour étudier les courants de surface en mesurant la fluorescence du phytoplancton océanique. Si certaines de ces études font déjà mention de profils de végétation forestière bien apparents, ces profils sont considérés comme source de bruit additionnel lors de l'extraction d'informations topographiques. Dès 1964, des chercheurs ont ainsi observé des retours liés à la végétation dans des données acquises en utilisant un laser à hélium–néon (He–Ne) aéroporté, laser à onde continue (CW «continuous wave») et émettant à 0.63 µm. Une décennie et de nombreuses études basées sur des mesures aéroportées plus tard, des scientifiques, en collaboration avec TRANARG, une société de Caracas, au Venezuela, spécialisée dans la cartographie et les levés topographiques, ont rendu compte de survols réalisés en 1976 en utilisant un lidar à He–Ne pour collecter plus de 11000 km de profils lidar espacés de 1.5 km afin de produire une carte topographique dans le cadre d'un projet d'implantation d'un nouveau réservoir d'eau. Bien qu'attendant avant tout du laser qu'il pénètre au travers de la végétation pour pouvoir décrire le terrain, ils ont relevé sur leurs profils des hauteurs médianes de canopée de 35–40 m, avec des émergents atteignant 55 m.Le signal lié aux arbres a commencé à être considéré comme une information et non plus comme du bruit au milieu des années 1970. En 1976, en l'Union Soviétique, des chercheurs russes ont abattu un bouleau et un épicéa, ont pointé en direction des arbres couchés un laser He–Ne continu avec une taille d'empreinte de ~25mm, l'ont utilisé comme un profilographe et ont ensuite comparé les résultats avec des mesures prises avec un mètre. Ils conclurent que, en augmentant sa puissance, un tel laser pourrait être embarqué dans un avion pour mesurer la canopée forestière. En 1979, ils embarquèrent leur laser He–Ne sur un biplan AN-2 et firent l'acquisition de leurs premiers profils aéroportés. Ces études, ainsi que d'autres études réalisées avant 1985, et donc au cours des deux premières décennies de recherches sur les lasers aéroportés, sont passées en revue dans cette rétrospective de l'histoire du lidar en foresterie. Notes3 Many, though not all, of the more obscure reports, technical memoranda, and articles published in Russian journals cited herein can be downloaded from the following publically accessible address: ftp://fusionftp.gsfc.nasa.gov/Silvilaser12/. The Russian journals are in Russian. If someone translates one of these articles and is willing to share that translation, please send it to the author for inclusion on this site.