CN101526620B - 机载或星载激光扫描成像的地形校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机载或星载激光扫描成像的地形校正方法。它通过激光扫描成像时，同时测取高程数据，根据高程数据生成数字高程模型DEM，然后计算出回波图像中每个单元像元的激光直射光地形校正系数，进行回波图像的地形校正。经地形校正后的激光扫描遥感正射数字图像及其衍生的系列资料是研究地表地物特性的重要信息。

Description

机载或星载激光扫描成像的地形校正方法

技术领域：

本发明属遥感技术与测绘学，涉及一种机(星)载激光扫描成像的地形校正方法。

技术背景

机(星)载激光扫描对地探测系统所获取的地球表面信息有两种：空间位置(距离)和影像(性质)。二者共同构成完整的机(星)载激光扫描对地探测系统。如果激光扫描的地面采样点充分密集并且同时获取激光回波信息，就可以不需要被动光电成像，直接以激光扫描回波强度数据获得地面数字扫描激光影像。由于成像瞬间，机(星)的姿态、对地面的相互位置和几何取向、不同的扫描角、非均匀的大气以及地形(地面的高度、坡度和坡向)的差异等因素使得激光影像上各点的地面激光照度均发生改变，最终导致激光影像上各点数据不能正确(精确)表达地面目标的波谱特性(反射率)，影响机(星)载激光扫描成像的品质、降低机(星)载激光扫描探测系统的对地探测效果。

本项发明研究成像瞬间激光扫描数字影像数据与地面的地形(高度、坡度和坡向)之间的定量关系，建立地形改正模型。利用该模型逐点进行机(星)载激光扫描数字影像的地形校正，将机(星)载激光扫描数字影像上各点影像数值转换为：激光照射角度(与地面直交)相同、地面水平时的影像数值。本文的机(星)载激光扫描成像的地形校正方法属于原创性研究，有关文献无相关报道。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种激光扫描数字影像的地形校正方法。

为达到上述发明目的，本发明的构思是：本发明基于激光扫描成像的高程数据和强度数据，进行回波图像的地形校正方法。首先根据高程数据生成数字高程模型(DEM)，然后计算出回波图像中每个像元的波束入射角，然后根据入射角和回波图像像元回波强度的关系，进行回波图像的地形校正。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种机载或星载激光扫描成像的地形校正方法，其特征在于由于激光成像是单一直射光成像，没有天空散射光的贡献，因此激光扫描回波图像的地形校正方法仅需对直射光进行地形改正；激光扫描可以同时获得地面高程数据和回波图像。在地形起区域，激光扫描图像像元的回波强度受到地形的影响，造成同质区域回波图像表现出不同的回波强度。该回波强度的变化反映了地形对激光扫描图像的影响，因此可以通过高程数据，计算回波图像中像元的激光直射光地形校正方法，对回波图像进行地形校正，消除地形对其的影响。其具体操作步骤如下：

(1)在激光扫描获取回波图像的同时，获取高程数据；根据高程数据生成数字高程模型DEM；

(2)激光扫描回波图像和数字高程模型DEM进行配准；

(3)计算回波图像中像元的激光直射光地形校正系数；

(4)计算任意激光扫描入射至倾斜地表时获取的回波强度；

(5)模拟激光扫描垂直入射对应水平地表时获取的回波强度；

(6)根据(4)和(5)步骤，对回波图像进行地形校正；

(7)输出：地形校正后的回波图像。

上述步骤(3)中计算回波图像中像元的激光直射光地形校正系数的计算方法如下：由于机载或星载激光扫描数字图像是主动成像，要利用一般可见光遥感数字图像的地形校正公式进行其地形校正，必须将对应公式中太阳高度角和太阳方位角换为扫描高度角度和扫描方位角。则回波图像中像元的激光直射光地形改正系数为：

F_ij＝1-tgα_ijctgθ_ijcosω_ij  (1)

其中，θ_ij为扫描高度角；α_ij为像元坡角；ω_ij是像元坡向角A_ij与扫描方位角AL_ij之差的绝对值。α_ij和A_ij可以从相应的DEM中获得；θ_ij和AL_ij可以根据激光扫描系统信息得到。

上述的步骤(4)中计算任意波束入射倾斜地表时获取的回波强度的方法如下：激光扫描探测系统的出射强度为E₀，对于任意倾斜表面获取的激光强度E_in为出射强度和激光直射光地形改正系数的乘积，即：E_in＝E₀F_ij  (2)

对于激光垂直入射至水平地表时，此时入射角为90°，则地表接收的激光强度即为发射强度。

对于回波图像上任意像素亮度和激光发射的强度存在以下关系：DN_ij＝kτρE_in  (3)

其中，DN_ij为像元影像值；K为激光扫描探测系统转换系数(地面辐射定标)；ρ为对应地面的反射率；τ为大气激光光谱透过率。

对于地形校正前后同类像素，其大气激光光谱透过率和地面的反射率相同。激光扫描探测系统转换系数仅与激光传感器相关，可视为常数。因此把任意地形下的像素值经过地形改正校正到水平地表时，校正后的像元影像值为：

${\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}^{\′}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}\frac{E_0}{E_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}}---\left(4\right)$

该式即为激光扫描成像的地形校正公式。

本发明与现有技术相比所具有的优点与积极效果：利用激光扫描图像的地形改正方法将月球表面遥感图像改正为地面水平时的像元遥感值，生成激光入射照度无差异无阴影的真正正射图像。由于地形改正消除了地形起伏带来的激光扫描图像中辐射差异的影响，在激光扫描图像遥感信息中突出了地表的波谱特征。经地形校正后的激光扫描遥感正射数字图像及其衍生的系列资料是研究地表地物特性的重要信息。

附图说明

图1为本发明多波束声纳回波图像地形校正的原理方法计算流程图。

具体实施方式

本发明的一个优秀实施例结合附图详述如下：参见图1，本机载或星载激光扫描成像通过激光扫描成像同时获取回波图像和高程数据，根据高程数据生成数字高程模型DEM，然后计算出回波图像中每个像元的激光直射光地形校正系数，进行回波图像的地形校正；其具体操作步骤如下：

(1)在激光扫描获取回波图像的同时，获取高程数据；根据高程数据生成数字高程模型DEM；

(2)激光扫描回波图像和数字高程模型DEM进行配准；

(3)计算回波图像中像元的激光直射光地形校正系数；

(4)计算任意激光扫描入射至倾斜地表时获取的回波强度；

(5)模拟激光扫描垂直入射对应水平地表时获取的回波强度；

(6)根据(4)和(5)步骤，对回波图像进行地形校正；

(7)输出：地形校正后的回波图像；

上述步骤(3)中计算回波图像中像元的激光直射光地形校正系数的计算方法如下：

由于机载或星载激光扫描数字图像是主动成像，要利用一般可见光遥感数字图像的地形校正公式进行其地形校正，必须将对应公式中太阳高度角和太阳方位角换为扫描高度角度和扫描方位角。则回波图像中像元的激光直射光地形改正系数为：

F_ij＝1-tgα_ijctgθ_ijcosω_ij  (1)

其中，θ_ij为扫描高度角；α_ij为像元坡角；ω_ij是像元坡向角A_ij与扫描方位角AL_ij之差的绝对值。α_ij和A_ij从相应的DEM中获得；θ_ij和AL_ij根据激光扫描系统信息得到。

上述步骤(4)中计算任意波束入射倾斜地表时获取的回波强度的方法如下：

激光扫描探测系统的出射强度为E₀，对于任意倾斜表面获取的激光强度E_in为出射强度和激光直射光地形校正系数的乘积，即：E_in＝E0F_ij

对于激光垂直入射至水平地表时，此时入射角为90°，则，地表接收的激光强度即为发射强度。

对于回波图像上任意像素亮度和激光发射的强度存在以下关系：DN_ij＝kτρE_in

其中，DN_ij为像元影像值；K为激光扫描探测系统转换系数；ρ为对应地面的反射率；τ为大气激光光谱透过率；

对于地形校正前后同类像素，其大气激光光谱透过率和地面的反射率相同；激光扫描探测系统转换系数仅与激光传感器相关，可视为常数；因此把任意地形下的像素值经过地形校正到水平地表时，校正后的像元影像值为：

${\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}^{\′}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}\frac{E_0}{E_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}}$

该式即为激光扫描成像的地形校正公式。

实例与讨论：一组仿真实验如表1所示，由DEM激光扫描回波强度数据我们可以计算太阳直射光地形改正系数，给定激光发射强度、地物反射率和激光大气透过率均为常数。利用激光扫描图像的地形改正方法，可以得到正射激光扫描回波强度数值。从表1可以看出，位于波束入射阴面和阳面的同类像元回波强度值经过地形校正后接近一致。这种同类地物回波强度的一致性为地物的精确探勘提供了可靠的依据。

Claims (2)

1.一种机载或星载激光扫描成像的地形校正方法，其特征在于通过激光扫描成像同时获取回波图像和高程数据，根据高程数据生成数字高程模型DEM，然后计算出回波图像中每个像元的激光直射光地形校正系数，进行回波图像的地形校正；其具体操作步骤如下：

(1)在激光扫描获取回波图像的同时，获取高程数据；根据高程数据生成数字高程模型DEM；

(2)激光扫描回波图像和数字高程模型DEM进行配准；

(3)计算回波图像中像元的激光直射光地形校正系数，具体计算方法如下：由于机载或星载激光扫描数字图像是主动成像，要利用一般可见光遥感数字图像的地形校正公式进行其地形校正，必须将对应公式中太阳高度角和太阳方位角换为扫描高度角度和扫描方位角，则回波图像中像元的激光直射光地形改正系数为：

            F_ij＝1-tgα_ij ctgθ_ij cosω_ij    (1)

其中，θ_ij为扫描高度角；α_ij为像元坡角；ω_ij是像元坡向角A_ij与扫描方位角AL_ij之差的绝对值，α_ij和A_ij从相应的DEM中获得；θ_ij和AL_ij根据激光扫描系统信息得到；

(4)计算任意激光扫描入射至倾斜地表时获取的回波强度；

(5)模拟激光扫描垂直入射对应水平地表时获取的回波强度；

(6)根据(4)和(5)步骤，对回波图像进行地形校正；

(7)输出地形校正后的回波图像。

2.根据权利要求1所述的机载或星载激光扫描成像的地形校正方法，其特征在于所述步骤(4)中计算任意波束入射倾斜地表时获取的回波强度的方法如下：

激光扫描探测系统的出射强度为E₀，对于任意倾斜表面获取的激光强度E_in为出射强度和激光直射光地形校正系数的乘积，即：

                        E_in＝E₀F_ij

对于激光垂直入射至水平地表时，此时入射角为90°，则，地表接收的激光强度即为发射强度；

对于回波图像上任意像素亮度和激光发射的强度存在以下关系：

                        DN_ij＝kτρE_in

其中，DN_ij为像元影像值；K为激光扫描探测系统转换系数；ρ为对应地面的反射率；τ为大气激光光谱透过率；

对于地形校正前后同类像素，其大气激光光谱透过率和地面的反射率相同；激光扫描探测系统转换系数仅与激光传感器相关，可视为常数；因此把任意地形下的像素值经过地形校正到水平地表时，校正后的像元影像值为：

${\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}^{\′}={\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}\frac{E_0}{E_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{DN}}_{\mathrm{ij}}}{F_{\mathrm{ij}}}$

该式即为激光扫描成像的地形校正公式。

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