CN105652260B - 一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法。本方法具体步骤为：(1)对获取的卫星激光高度计观测波形进行波形分解，得到多个地物回波波形的参数；(2)利用卫星激光光斑内的DSM提取地物斑块，计算各地物斑块的坡度和面积；(3)以各地物斑块到卫星激光高度计的距离、斑块面积和各地物反射率为输入，计算各地物斑块的回波波形参数；(4)将观测波形分解得到的各地物波形参数与计算得到的各地物斑块波形参数进行欧式距离计算，确定回波与地物斑块的对应关系；(5)计算各地物斑块的高程。本发明将DSM信息用于激光高度计波形的分解，得到光斑范围内的回波波形与地物的匹配关系和地物的高程。

Description

一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法
技术领域
本发明属于遥感对地观测技术领域，特别涉及一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法。
背景技术
卫星激光高度计发射的激光脉冲经过大气到达地面，与地物作用后反射回去的能量被接收器接收，即为原始激光回波波形，因卫星激光高度计对激光发射脉冲和地物的后向散射脉冲都进行小间隔采样，因此几乎能记录整个脉冲波形。对接收器记录的原始激光回波波形经过平滑、去噪和大气修正后得到观测波形，观测波形用于波形分解。卫星激光高度计的激光脉冲传播到地面具有一定的发散角，因此激光脉冲在地面照亮的是具有一定面积的光斑。在激光光斑内的地形通常不会是一个简单的平面，激光高度计的回波是对光斑内各点的反射信号按时间先后顺序记录的地物反射率对应的光电压值。光电压值和多个因素相关，传统的波形分解算法基本不利用地面信息，对观测波形直接分解，分解得到的回波波形中只有高度信息，没有与地物的对应关系。本方法利用DSM信息来辅助观测波形分解，首先要利用激光指向数据与激光足印相机数据确定与激光光斑范围对应的DSM数据，之后利用DSM提取相关信息，辅助波形分解，该方法有助于提高波形分解的准确性，分解的波形直接与地物相匹配，从而计算出对应地物的高程。
发明内容
本发明所要解决的问题是：提供一种基于DSM的卫星激光高度计波形分解的方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1，对激光高度计的观测波形进行波形分解，得到多个地物回波波形的参数；
步骤2，利用激光光斑内的DSM提取地物斑块，计算各地物斑块的坡度和面积；
步骤3，以各地物斑块到激光高度计的距离、斑块面积和各地物反射率为输入，计算各地物斑块的回波波形参数；
步骤4，将观测波形分解得到的各地物波形参数与计算得到的各地物斑块波形参数进行欧式距离计算，确定回波与地物斑块的对应关系；
步骤5，计算各地物斑块的高程。
所述步骤2还包括以下步骤：
步骤21，利用激光指向数据和足印相机影像数据获取激光光斑内DSM数据；
步骤22，根据垂直方向上的点集拓扑关系以及RANSAC平面提取算法，提取出DSM中多个地物斑块；
步骤23，根据DSM的坐标计算各地物斑块的面积；
步骤24，利用地物斑块的法向量与激光入射方向计算各地物斑块的坡度，坡度在一定阈值内认为其对回波波形无展宽影响；
步骤25，将识别出的斑块按DSM坐标确定的高度进行排序a1…ai…an，之后首先找到激光光斑内高程最高的地物斑块a1，以其为基准斑块，以激光高度计设计的高程分辨率为高差判断依据，依次判断后续斑块与基准斑块的垂直距离，直到垂直距离大于激光高度计的高程分辨率，确定该地物斑块ai，ai-1之前的地物斑块合并为一个高度a1，ai成为其余斑块中高程最高的斑块，递归执行上述过程，得到合并后的各地物斑块并计算各合并斑块的面积。
所述步骤4还包括以下步骤：
步骤41，将观测波形分解的多个地物回波波形参数用向量表示；
步骤42，观测波形分解得到的各地物回波波形参数与计算得到的各地物斑块回波波形参数进行欧式距离计算；
步骤43，欧式距离最小时认为观测波形分解的地物回波与该地物斑块是最匹配的。
所述步骤5还包括以下步骤：
步骤51，根据观测波形分解的地物回波波形对应的时间计算激光高度计到地物斑块的距离；
步骤52，根据步骤51中的距离计算地物斑块的高程。
本发明的优点在于：本发明的方法将DSM信息用于激光高度计波形的分解，得到光斑范围内的回波波形与地物的匹配关系和地物的高程。
附图说明
图1是一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细描述。
如图1，一种基于DSM的卫星激光高度计波形分解的方法，包括以下步骤：
步骤1，激光高度计的光斑照亮地表一定面积，该范围内可能包含多个地物，对观测波形进行波形分解，获取各地物回波波形参数ti，Si，σi，为波形振幅，ti为波形位置，Si为波形半宽，σi为波形后向散射截面；
步骤2，利用激光光斑内数字表面模型(DSM)提取地物斑块、各斑块的坡度和面积
(1)利用激光指向数据确定激光指向，将激光足印范围反投影到双线阵立体影像上，确定激光足印对应的DSM；
(2)根据垂直方向上的点集拓扑关系以及RANSAC平面提取算法，提取出DSM中多个地物斑块；
(3)根据双线阵影像初始地物点云和地物斑块之间相对准确的位置关系，利用相对坐标计算各个地物斑块的面积；
(4)利用地物斑块的法向量与激光入射方向计算各地物斑块的坡度，如果坡度在2°范围内则认为该斑块对回波波形无展宽；
(5)将识别出的斑块按DSM坐标确定的高度进行排序a1…ai…an，之后首先找到激光光斑内高程最高的地物斑块a1，以其为基准斑块，以激光高度计设计的高程分辨率为高差判断依据，依次判断后续斑块与基准斑块的垂直距离，直到垂直距离大于激光高度计的高程分辨率，确定该地物斑块ai，ai-1之前的地物斑块合并为一个高度a1，ai成为其余斑块中高程最高的斑块，递归执行上述过程，得到合并后的各地物斑块并计算各合并斑块的面积。
步骤3，以各地物斑块到激光高度计的距离、斑块面积和各地物反射率为输入，计算各地物斑块的回波波形参数
(1)利用DSM的位置信息计算地物斑块与激光高度计的距离Rg；
(2)后向散射截面与激光光斑内地物斑块之间的关系可如下表示：
ρi为地物的反射率，Ai为地物斑块面积，Dr为信号接收器的直径大小
(3)计算地物斑块对应的回波能量，
ηsys是激光高度计系统传输因子，ηatm是空气传输因子，βr是激光束宽度，是系统波形的振幅，Ss是系统波形宽度的标准方差，Si，g是斑块回波宽度的标准方差，坡度在2°范围内的地物斑块其波形无展宽，其波形标准差与系统波形相同；
步骤4，将观测波形分解得到的各地物波形参数与计算得到的各地物斑块波形参数进行欧式距离计算，确定回波与地物斑块的对应关系
(1)将多个地物回波波形参数用向量表示，观测波形分解得到的地物回波波形表示为计算得到的地物斑块回波波形表示为
(2)将观测波形分解得到的各地物回波波形参数与计算得到的各地物斑块回波波形参数进行欧式距离计算；
(3)欧式距离最小时认为观测波形分解得到的地物回波与该地物斑块是最匹配的。
步骤5，计算各地物的高程
(1)根据观测波形分解得到的各地物回波波形参数，确定已经匹配的各地物的波形位置ti；
(2)根据ti计算激光从激光高度计到地物图斑的传播距离；
(3)根据激光高度计位置信息与激光到地物斑块的传播距离和方向计算地物斑块的位置，最终得到地物斑块的高程。

Claims (1)

1.一种基于数字表面模型的卫星激光高度计波形分解的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对激光高度计的观测波形进行波形分解，得到多个地物回波波形的参数；
步骤2，利用激光光斑内的DSM提取地物斑块，计算各斑块的坡度和面积；具体步骤如下：
2-1，利用激光指向数据和足印相机影像数据获取激光光斑内DSM数据；
2-2，根据垂直方向上的点集拓扑关系以及RANSAC平面提取算法，提取出DSM中多个地物斑块；
2-3，根据DSM的坐标计算各地物斑块的面积；
2-4，利用地物斑块的法向量与激光入射方向计算各地物斑块的坡度，坡度在一定阈值内认为其对回波波形无展宽影响；
2-5，将识别出的地物斑块按DSM坐标确定的高度进行排序a1…ai…an，之后首先找到激光光斑内高程最高的地物斑块a1，以其为基准斑块，以激光高度计设计的高程分辨率为高差判断依据，依次判断后续斑块与基准斑块的垂直距离，直到垂直距离大于激光高度计的高程分辨率，确定该地物斑块ai，将ai-1之前的地物斑块合并为一个高度a1，ai成为其余斑块中高程最高的斑块，递归执行上述过程，得到合并后的各地物斑块并计算各合并斑块的面积；
步骤3，以各地物斑块到激光高度计的距离、斑块面积和各地物反射率为输入，计算各地物斑块的回波波形参数；具体步骤如下：
(3-1)利用DSM的位置信息计算地物斑块与激光高度计的距离Rg；
(3-2)后向散射截面与激光光斑内地物斑块之间的关系可如下表示：
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ρi为地物的反射率，Ai为地物斑块面积，Dr为信号接收器的直径大小；
(3-3)计算地物斑块对应的回波能量，
<mrow> <mover> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>y</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mfrac> <msubsup> <mi>D</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>4</mn> <msubsup> <mi>&amp;pi;R</mi> <mi>g</mi> <mn>4</mn> </msubsup> <msubsup> <mi>&amp;beta;</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mover> <mi>S</mi> <mo>^</mo> </mover> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>g</mi> </mrow> </msub> <mfrac> <msub> <mi>S</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>g</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>
ηsys是激光高度计系统传输因子，ηatm是空气传输因子，βr是激光束宽度，是系统波形的振幅，Ss是系统波形宽度的标准方差，Si，g是斑块回波宽度的标准方差，坡度在2°范围内的地物斑块其波形无展宽，其波形标准差与系统波形相同；
步骤4，将观测波形分解得到的各地物波形参数与计算得到的各地物斑块波形参数进行欧式距离计算，确定回波与地物斑块的对应关系；具体步骤如下：
4-1，将观测波形分解的多个地物回波波形参数用向量表示；
4-2，观测波形分解得到的各地物回波波形参数与计算得到的各地物斑块回波波形参数进行欧式距离计算；
4-3，欧式距离最小时认为观测波形分解的地物回波与该地物斑块是最匹配的；
步骤5，计算各地物斑块的高程；具体步骤如下：
5-1，根据观测波形分解的地物回波波形对应的时间计算激光高度计到地物斑块的距离；
5-2，根据步骤5-1中的距离计算地物斑块的高程。
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