楊利金 張守忠 王 蕾

（1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)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(kāi)發(fā)與景觀生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

信息化世界的到來(lái)對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展提出了更加精細(xì)化的要求。遙感技術(shù)作為一種宏觀、實(shí)時(shí)以及動(dòng)態(tài)范圍大的新興對(duì)地觀測(cè)技術(shù)，通過(guò)借助不同時(shí)空尺度下，光學(xué)、微波不同波長(zhǎng)傳感器的觀測(cè)成像優(yōu)勢(shì)，克服了許多行業(yè)在調(diào)查過(guò)程中存在人為因素干擾、周期長(zhǎng)以及過(guò)多人力物力資源投入等缺陷[1-2]。其中，激光雷達(dá)技術(shù)（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種新興的主動(dòng)遙感技術(shù)，以提供包括高度的三維空間信息，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)遙感只能提供二維平面信息的缺陷。激光雷達(dá)技術(shù)憑借精準(zhǔn)的測(cè)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(cè)繪、氣象和建筑業(yè)等領(lǐng)域[3]。因此，研究激光雷達(dá)技術(shù)的研究熱點(diǎn)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(duì)進(jìn)一步發(fā)展、應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

該文選擇Science Citation Index（科學(xué)引文檢索）數(shù)據(jù)庫(kù)中Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)的文獻(xiàn)作為激光雷達(dá)技術(shù)研究文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)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(shí)間跨度為2000—2021年，共檢索到4 351條文獻(xiàn)記錄數(shù)據(jù)。將檢索到的文獻(xiàn)記錄數(shù)據(jù)以純文本的文件格式進(jìn)行輸出，導(dǎo)入CiteSpace知識(shí)可視化分析軟件中進(jìn)行預(yù)處理，最終得到以年為單位的激光雷達(dá)領(lǐng)域的有效文獻(xiàn)記錄數(shù)據(jù)4 340篇，其中期刊4 237篇，評(píng)論103篇。

1.2 研究方法

科學(xué)知識(shí)圖譜是科學(xué)計(jì)量學(xué)的新發(fā)展領(lǐng)域，能夠以圖形的方式來(lái)表示研究?jī)?nèi)容的發(fā)展進(jìn)程與結(jié)構(gòu)關(guān)系，可以形象地展示各知識(shí)單元或知識(shí)群之間的復(fù)雜關(guān)系[4]?？梢暬治鍪侵赣弥庇^的、便于理解的圖形、圖像來(lái)代替數(shù)據(jù)和符號(hào)，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(shì)，該軟件是由美國(guó)德雷克塞爾大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)者陳超美教授基于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一款可視化軟件。在研究中使用CiteSpace軟件的研究機(jī)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(duì)生成的知識(shí)圖譜進(jìn)行解讀時(shí)，主要針對(duì)高頻節(jié)點(diǎn)、高中介中心性和突現(xiàn)性的節(jié)點(diǎn)，從各個(gè)方面來(lái)分析目前激光雷達(dá)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，直觀地表達(dá)相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)。

2 激光雷達(dá)技術(shù)研究的時(shí)空知識(shí)圖譜及分析

2.1 時(shí)間分布圖譜

按年度對(duì)檢索到的研究文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制成激光雷達(dá)領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的時(shí)序分布圖，如圖1所示。由圖1可以看出，2003—2007年激光雷達(dá)技術(shù)的研究尚處于初步探索階段，雖然激光雷達(dá)技術(shù)于20世紀(jì)60年代已經(jīng)問(wèn)世，但是這期間年均發(fā)文量均少于100篇，說(shuō)明學(xué)者們對(duì)激光雷達(dá)的研究才剛剛起步，尚不成體系；2008—2017年是緩慢增長(zhǎng)階段，學(xué)者們對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的研究開(kāi)始逐年上升，除2010—2011年的年增長(zhǎng)量超過(guò)50篇，其余年增長(zhǎng)量均小于50篇且出現(xiàn)綜合性的研究；2018年以來(lái)，激光雷達(dá)技術(shù)快速增長(zhǎng)且年增長(zhǎng)量大于50篇，表明研究受到學(xué)者們的關(guān)注，進(jìn)入蓬勃發(fā)展階段。相關(guān)研究的發(fā)文量在2020年達(dá)到最大值（652篇），這說(shuō)明雖然2020年世界遭受了新冠疫情的影響，但卻未影響學(xué)者們對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)的研究，目前，截至2021年3月的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量為139篇，但按該增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)來(lái)看，2021年激光雷達(dá)技術(shù)仍是研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量將再創(chuàng)新高。通過(guò)對(duì)激光雷達(dá)領(lǐng)域的年發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量進(jìn)行可視化分析可以說(shuō)明，當(dāng)前激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的研究仍然是學(xué)界的研究熱點(diǎn)。

圖1 激光雷達(dá)領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的時(shí)序分布圖

2.2 空間分布圖譜

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行合作網(wǎng)絡(luò)特征分析，可以深入探究該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)者所在機(jī)構(gòu)之間的合作關(guān)系特征[6]。圖2中共有584個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中美國(guó)航空航天局、中國(guó)科學(xué)院以及不列顛哥倫比亞大學(xué)3個(gè)節(jié)點(diǎn)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(cè)度節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中重要性的一個(gè)指標(biāo)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中介中心度越高，就證明該節(jié)點(diǎn)在該網(wǎng)絡(luò)中的重要性越大[7]。

研究機(jī)構(gòu)知識(shí)圖譜中的中國(guó)科學(xué)院節(jié)點(diǎn)明顯大于其他節(jié)點(diǎn)，其中介中心度為0.16，說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)是激光雷達(dá)技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵樞紐，與其他大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)系密切。從節(jié)點(diǎn)大小上可以判斷研究機(jī)構(gòu)發(fā)文量的數(shù)量關(guān)系；圖2中，中國(guó)科學(xué)院、武漢大學(xué)、美國(guó)林業(yè)部·美國(guó)森林服務(wù)、不列顛哥倫比亞大學(xué)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局以及美國(guó)航空航天局等節(jié)點(diǎn)明顯大于其他節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明以上研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的發(fā)文量明顯多于其他研究機(jī)構(gòu)；觀察知識(shí)圖譜中研究機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的顏色可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)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(shuō)明激光雷達(dá)領(lǐng)域的文獻(xiàn)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(gè)節(jié)點(diǎn)間的淺色連線線段的不斷增加也表明了各個(gè)研究機(jī)構(gòu)之間的聯(lián)系和合作交流也在不斷增加。

圖2 研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)知識(shí)圖譜

排名前20位的研究機(jī)構(gòu)總發(fā)文量為1 296篇（見(jiàn)表1），其中發(fā)文量超過(guò)100篇的有中國(guó)科學(xué)院和武漢大學(xué)，合計(jì)發(fā)文336篇，占總發(fā)文量的25.9%；發(fā)文量前5位的機(jī)構(gòu)共有6所，分別是中國(guó)科學(xué)院、武漢大學(xué)、美國(guó)林業(yè)部·美國(guó)森林服務(wù)、不列顛哥倫比亞大學(xué)、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和美國(guó)航空航天局，占發(fā)文總量的50.8%，說(shuō)明激光雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)文量主要集中在前6所機(jī)構(gòu)，其他機(jī)構(gòu)的發(fā)文量相對(duì)較少，集聚特征明顯。從國(guó)家來(lái)看，主要研究機(jī)構(gòu)分布在中國(guó)、美國(guó)和加拿大；其中，中國(guó)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)量有6個(gè)，發(fā)文量為516篇，占發(fā)文總量的39.8%；美國(guó)研究機(jī)構(gòu)的數(shù)量為10個(gè)，發(fā)文量為566篇，占發(fā)文總量的43.7%，2個(gè)國(guó)家的機(jī)構(gòu)占比和發(fā)文量分別達(dá)80%、83.5%，是最主要的研究國(guó)。加拿大的研究機(jī)構(gòu)有4個(gè)，發(fā)文量?jī)H為214篇，占發(fā)文總量的16.5%，上述數(shù)據(jù)表明我國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)激光雷達(dá)的研究更為密集、系統(tǒng)，而美國(guó)研究機(jī)構(gòu)則較為分散。

表1 主要研究機(jī)構(gòu)地域分布和發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

3 研究熱點(diǎn)與研究前沿分析

3.1 研究熱點(diǎn)分析

詞頻是指所分析的文獻(xiàn)中關(guān)鍵詞出現(xiàn)的次數(shù)，該研究運(yùn)用的詞頻分析法是借助CiteSpace軟件來(lái)提取激光雷達(dá)技術(shù)文獻(xiàn)中能夠表達(dá)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(lái)研究該領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)向和研究熱點(diǎn)的方法。不同時(shí)期出現(xiàn)的高頻詞匯代表了當(dāng)時(shí)的研究熱點(diǎn)與學(xué)術(shù)前沿，圖3是激光雷達(dá)技術(shù)研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)知識(shí)圖譜。從圖3中可看出，激光雷達(dá)技術(shù)的研究熱點(diǎn)主要集中于激光雷達(dá)、模型、機(jī)載激光雷達(dá)、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(shí)圖譜

將表2中的高頻率關(guān)鍵詞按中介中心度的大小進(jìn)行排序，排名前三名的關(guān)鍵詞是分類、機(jī)載激光雷達(dá)和植被，其中介中心度分別是0.05、0.04和0.03，表明分類、機(jī)載激光雷達(dá)和植被是研究的主要領(lǐng)域。最早應(yīng)用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)/技術(shù)來(lái)進(jìn)行分類的研究始于2004年，學(xué)者們基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)分類地面像素進(jìn)行新的插值來(lái)得出數(shù)字地形模型，其研究呈總體上升的趨勢(shì)，研究論文總計(jì)361篇。在2020年以分類為關(guān)鍵詞的激光雷達(dá)技術(shù)研究文獻(xiàn)數(shù)據(jù)量達(dá)到最大值，共計(jì)62篇；以機(jī)載激光雷達(dá)為關(guān)鍵詞的研究文獻(xiàn)共計(jì)403篇，自2004年學(xué)者們開(kāi)啟了應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的新紀(jì)元，2009年相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)才超過(guò)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(xiàn)共計(jì)290篇，其中被引用最多的研究文獻(xiàn)是2008年Kerri等學(xué)者簡(jiǎn)要概述了激光雷達(dá)技術(shù)，討論了激光雷達(dá)數(shù)據(jù)在動(dòng)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(hù)上[8]，引用頻次高達(dá)338次。

表2 激光雷達(dá)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(dá)技術(shù)的研究主要集中在遙感、影像科學(xué)與攝影技術(shù)、環(huán)境與生態(tài)科學(xué)、工程學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及自然地理學(xué)方面。同時(shí)，激光雷達(dá)技術(shù)已應(yīng)用到林業(yè)、礦業(yè)、建筑測(cè)量、地形測(cè)繪、自然災(zāi)害評(píng)估以及無(wú)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(shí)期激光雷達(dá)技術(shù)的研究方向和研究前沿，突現(xiàn)性強(qiáng)的關(guān)鍵詞的出現(xiàn)表明某時(shí)期學(xué)者發(fā)現(xiàn)了新的研究領(lǐng)域、研究視角，從而成為一定時(shí)期的學(xué)術(shù)前沿。由圖4可以觀察到共20個(gè)突現(xiàn)關(guān)鍵詞，其中樹(shù)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(shí)間分別是2003—2012年、2003—2011年和2003—2012年，這表明激光雷達(dá)技術(shù)早期的研究重點(diǎn)是提取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)——樹(shù)高、冠層結(jié)構(gòu)和胸高斷面積，且樹(shù)高和冠層結(jié)構(gòu)的突現(xiàn)強(qiáng)度值排在前2名，表明激光雷達(dá)技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，學(xué)者們就認(rèn)識(shí)到該技術(shù)在提取森林結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)勢(shì)與重要性，因此森林結(jié)構(gòu)參數(shù)——樹(shù)高、冠層結(jié)構(gòu)等參數(shù)的提取成為學(xué)者們重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

圖4 關(guān)鍵詞突現(xiàn)知識(shí)圖譜

通過(guò)對(duì)所有關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)激光掃描儀數(shù)據(jù)的突然強(qiáng)度值大于10，證明其是激光雷達(dá)技術(shù)研究過(guò)程中重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2007年開(kāi)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(dá)”以及2011年開(kāi)始突現(xiàn)的“光檢測(cè)”等可以反映出一定范圍內(nèi)這些研究熱點(diǎn)詞在當(dāng)時(shí)的發(fā)展?fàn)顩r。按照突現(xiàn)強(qiáng)度的大小，對(duì)激光雷達(dá)技術(shù)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞進(jìn)行排序，分別為冠層結(jié)構(gòu)、樹(shù)高、激光掃描儀數(shù)據(jù)、支架、機(jī)載激光掃描、植被、小足跡、氣溶膠、高度/高程、樹(shù)干材積、數(shù)字地面模型、密度激光雷達(dá)、小足跡激光雷達(dá)、機(jī)載激光掃描儀、多光譜圖像、清點(diǎn)、基底面積、數(shù)字高程模型、體積以及光檢測(cè)，對(duì)以上關(guān)鍵詞進(jìn)行總結(jié)歸納可知激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向?yàn)樯纸Y(jié)構(gòu)參數(shù)、植被、滑坡、三維激光掃描、機(jī)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(shí)圖譜的方式對(duì)2000—2021年Web of Science核心數(shù)據(jù)庫(kù)中的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析。主要結(jié)論如下：1） 激光雷達(dá)技術(shù)的研究經(jīng)歷了初步探索（2003—2007年）、緩慢增長(zhǎng)（2008—2017年）以及蓬勃發(fā)展（2018年以來(lái)）3個(gè)階段，研究機(jī)構(gòu)主要集中在中美2個(gè)國(guó)家；其中，中國(guó)科學(xué)院是激光雷達(dá)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(jī)構(gòu)聯(lián)系密切。2）遙感、影像科學(xué)與攝影技術(shù)、環(huán)境與生態(tài)科學(xué)、工程學(xué)、地質(zhì)學(xué)以及自然地理學(xué)是激光雷達(dá)技術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，主要運(yùn)用多源數(shù)據(jù)（哨兵2號(hào)數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)、地面高程數(shù)據(jù)和多光譜激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等）進(jìn)行研究區(qū)的特征提取、礦區(qū)地形監(jiān)測(cè)、建筑測(cè)量、地表破裂變化及無(wú)人駕駛飛機(jī)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(dá)技術(shù)的研究重點(diǎn)。主要研究方向?yàn)樯纸Y(jié)構(gòu)參數(shù)、植被、滑坡、三維激光掃描、機(jī)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(dá)技術(shù)的研究正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，研究成果也呈爆炸式增長(zhǎng)。隨著激光雷達(dá)技術(shù)在多領(lǐng)域、多行業(yè)內(nèi)的深入運(yùn)用及高分辨率遙感技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域的研究將會(huì)被更廣泛、更深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，中國(guó)在未來(lái)也將逐漸成為研究該領(lǐng)域的熱點(diǎn)國(guó)家。