CN109633601B - 基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法 - Google Patents

基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其首先基于卫星轨道参数与发射脉冲参数，建立模拟激光雷达发射脉冲模型；然后基于数字地表模型数据建立地表目标响应函数；最后利用生成的发射脉冲模型与目标地表响应函数模拟生成模拟激光回波波形，并与实际波形进行对比分析，通过逐步距移动激光光斑精确确定激光雷达脚点位置。本发明基于波形模拟与波形匹配进行星载激光雷达脚点精确定位，由于地表模型可精确描述各种复杂地表，因此其激光脚点平面定位精度高，可以满足后期获取高精度地形数据及国家地理测图需求。本发明普适性高，对于多种卫星设置及森林、城市、平地、山地等多种地面环境下的激光脚点都可进行定位应用。

Description

基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法
技术领域
本发明涉及遥感技术领域，具体涉及一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法。
背景技术
星载激光雷达系统，是以卫星为工作平台，采用脉冲式激光束为测量工具，因其极高的工作位置，使得它具备更加广阔的视角，几乎可以探测到星体的每一块区域，这种测量技术为获取星体的地面模型提供了新的可能，对提高我国的航空航天水平和国家影响力具有重大的意义。2003年，美国国家航空航天局发射的ICESat(Ice,Cloud,and landElevation Satellite)卫星搭载了首颗对地观测激光测高载荷GLAS，其高程精度为15cm的激光脚点数据已被应用于全球地面高程控制点的选取。然而，尽管激光测高仪分米量级的绝对高程精度可以满足地面高程控制点需要，但其十几米甚至几十米的平面偏移使得其激光脚点仅能在平坦地表区域作为高程控制点使用。通过与已知地表DSM(Digital SurfaceModel)作波形匹配、探测器阵列捕获地表光斑等方式，卫星的激光脚点的平面坐标存在约10m至30m的定位误差，这对仅有70m量级光斑直径的GLAS系统而言，在复杂地表区域，光斑中心的偏移将导致高程测量结果产生严重偏差。
我国地域辽阔，资源丰富，地形地物复杂多样，平原、山地、森林、城市、郊区、冰盖、盆地等地形地物齐备，但是在某些地势复杂的高山地区，植被多样性的森林地区，获得的高精度地形数据较为困难。因此，找到一种基于地形特征的星载激光雷达脚点精确定位方法对获取高精度地形数据、满足国家地理测图需求具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其可以精确寻找星载激光雷达脚点的中心坐标，以满足后期获取高精度地形数据及国家地理测图需求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其包括以下步骤：
S1、基于卫星轨道参数与发射脉冲参数，建立模拟激光雷达发射脉冲模型；
S2、基于数字地表模型数据建立地表目标响应函数；
S3、利用步骤S1生成的发射脉冲模型与步骤S2获取的地表目标响应函数模拟生成模拟激光回波波形，与实际波形进行对比分析，通过逐步距移动激光光斑精确确定激光雷达脚点位置。
进一步地，步骤S1的实现过程包括以下步骤：
S11、通过设置包括激光发射脉冲展宽、激光能量、激光脉冲频率、发射脉冲持续时间的参数建立激光脉冲时间域模型，其时间域能量分布为一维高斯分布；
S12、通过设置包括卫星轨道高度、激光脉冲发散角、激光接收口径的参数建立激光脉冲空间域模型，其空间域能量分布为二维高斯分布。
进一步地，步骤S2的实现过程包括以下步骤：
S21、对于存在地物目标的区域，采用最大类间方差法对数字地表模型进行自动分类，将地物与地面进行区分；对于不存在地物的地表，直接进行步骤S22；
S22、将每个像素内的高程值换算成时间；
S23、统计各像素的返回时间及其返回的激光能量，将相同返回时间下返回的激光能量进行叠加即可生成地表响应模型。
更进一步地，步骤S23中通过降维统计将二维地表模型生成一维地表响应函数。
进一步地，步骤S3的实现过程包括以下步骤：
S31、将步骤S1得到的发射脉冲模型与步骤S2得到的地表目标响应函数进行卷积，得到模拟激光回波波形；
S32、计算模拟激光回波波形与实际波形的匹配度；
S33、逐步距对数字地表模型进行波形模拟与波形匹配度计算，寻找数字地表模型中与实际波形匹配度最高的光斑位置，即为激光脚点中心坐标的精确位置。
更进一步地，步骤S32中利用皮氏相关系数来表征模拟波形与实际波形的匹配度，皮氏相关系数越大，匹配程度越高。
采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明基于波形模拟与波形匹配进行星载激光雷达脚点精确定位，由于地表模型可精确描述各种复杂地表，因此其激光脚点平面定位精度高，可以满足后期获取高精度地形数据及国家地理测图需求。
(2)本发明普适性高，对于多种卫星设置及森林、城市、平地、山地等多种地面环境下的激光脚点都可进行定位应用。
附图说明
图1为本发明整体流程示意图；
图2为本发明生成发射脉冲模型的流程示意图；
图3为本发明利用数字地表模型生成地表响应模型的流程示意图；
图4为本发明进行波形模拟与匹配最终获取精确脚点定位的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
图1为本发明整体流程示意图，参考图1所示，本实施例公开了一种基于地形特征的星载激光雷达脚点精确定位方法，包括以下步骤：
S1、基于卫星轨道参数与发射脉冲参数，建立模拟激光雷达发射脉冲模型：
图2为本发明生成发射脉冲模型的流程示意图，参考图2所示，步骤S1的实现过程为：
S11、通过设置激光发射脉冲展宽、激光能量、激光脉冲频率、发射脉冲持续时间等参数建立激光脉冲时间域模型，其时间域能量分布为一维高斯分布；
其中，发射脉冲的时间域模型表示为：
Figure BDA0001929810320000041
式(1)中E(t)为在t时刻的激光发射功率，δ为发射脉冲宽度，E为单脉冲发射能量。
S12、通过设置卫星轨道高度、激光脉冲发散角、激光接收口径等参数建立激光脉冲空间域模型，其空间域能量分布为二维高斯分布。
其中，发射脉冲的空间域模型表示为：
Figure BDA0001929810320000042
d＝ltanθ (3)
式(2)中，I(x,y)为坐标(x,y)处的激光强度，式(3)中，d为光斑直径，l为测高仪的轨道高度，θ为光斑中心能量
Figure BDA0001929810320000043
处的发散角。
因此，步骤S11和S12中所述发射脉冲模型包括几乎所有的卫星轨道参数与发射脉冲参数，使得该方法在实际应用中具有较高的普适性。
S2、基于数字地表模型数据建立地表目标响应函数：
图3为本发明利用数字地表模型生成地表响应模型的流程示意图，参考图3所示，步骤S2的具体实现过程为：
S21、对于存在地物目标的区域，采用最大类间方差法对数字地表模型进行自动分类，将地物与地面进行区分；对于不存在地物的地表，直接进行步骤S22；
常见的典型地表类型包括平地、山地、冰盖、城市、郊区、森林等，对于平地、山地、冰盖区域，本实施例认为其表面无明显地物，仅存在地表起伏，对于此类地表，无需进行分类。而对于城市、郊区、森林区域，本实施例认为其表面有建筑物、森林等地物，对于此类地表，应将地面与地物像素进行划分，再获取地表响应模型。
其中步骤S21中的最大类间方差法的实现过程具体为：
S211、设数字地表模型为z(x,y)，T为光斑内地物与地面的高度阈值，统计数字影像内的高程；
S212、按照下式计算类间方差σ；
σ＝wv(hv-h)2+wg(hg-h)2 (4)
Figure BDA0001929810320000051
Figure BDA0001929810320000052
h＝wvhv+wghg (7)
式(4)～(7)中，wv和wg分别是地物像素数Nv和地面像素数Ng占整个DSM中的百分比，式(4)和式(7)中，hv和hg是分别是地物和地面平均高程，h是整个DSM影像区域的平均高程。
S213、使得类间方差最大时的高度h即为地面与地物的高程分界点T，从而将地表模型分为地物和地面两类。
S22、将每个像素内的高程值换算成时间；
数字地表模型中的高程值为z(x,y)，c为真空中光速，则每个像素内的激光脉冲返回的时间t为：
Figure BDA0001929810320000053
S23、统计各像素的返回时间及其返回的激光能量，将相同返回时间下返回的激光能量进行叠加即可生成地表响应模型。
利用数字地表模型z进行空间二维卷积，并按照时间序列进行分布，即可生成地表目标响应函数，为：
h(t)＝∫∫z(x,y)dxdy (9)
S3、利用步骤S1生成的发射脉冲模型与步骤S2获取的地表目标响应函数模拟生成模拟激光回波波形，与实际波形进行对比分析，通过逐步距移动激光光斑精确确定激光雷达脚点位置。
图4为本发明进行波形模拟与匹配最终获取精确脚点定位的流程示意图，参考图4所示，所述步骤S3的实现过程具体包含以下步骤：
S31、将步骤S1得到的发射脉冲模型与步骤S2得到的地表目标响应函数进行卷积，得到激光雷达模拟回波波形；
激光测高仪系统的接收信号脉冲可以看作是发射脉冲与地表目标响应函数的卷积，接收的回波模型可表示为：
Figure BDA0001929810320000061
式(10)中，η为接收系统和光电探测系统的综合效率，AR为接收系统孔径，Tatm为单程大气传输损耗，hv为光子能量，l为激光测高仪的轨道高度，ρ为地面目标反射率，f为采样频率，c为真空中光速，σ为观测角，h(t)为地表目标响应函数，I(x,y)为发射脉冲空间域函数，E(t)为发射脉冲时间域函数。
S32、计算模拟波形与实际波形的匹配度；
皮式相关系数可表征两条曲线的相关性，计算方式为：
Figure BDA0001929810320000062
式(11)中，cov表示协方差；σX和σY是标准差。通常认为当|ρ|≥0.8时两曲线高度相关；0.5≤|ρ|≤0.8时两曲线中度相关；|ρ|<0.5是弱相关。
S33、逐步距对数字地表模型进行波形模拟与波形匹配度计算，寻找数字地表模型中与实际波形匹配度最高的光斑位置，即为激光脚点中心坐标的精确位置。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、基于卫星轨道参数与发射脉冲参数，建立模拟激光雷达发射脉冲模型；
步骤S1的实现过程包括以下步骤：
S11、通过设置包括激光发射脉冲展宽、激光能量、激光脉冲频率、发射脉冲持续时间的参数建立激光脉冲时间域模型，其时间域能量分布为一维高斯分布；
S12、通过设置包括卫星轨道高度、激光脉冲发散角、激光接收口径的参数建立激光脉冲空间域模型，其空间域能量分布为二维高斯分布；
S2、基于数字地表模型数据建立地表目标响应函数；
步骤S2的实现过程包括以下步骤：
S21、对于存在地物目标的区域，采用最大类间方差法对数字地表模型进行自动分类，将地物与地面进行区分；对于不存在地物的地表，直接进行步骤S22；
S22、将每个像素内的高程值换算成时间；
S23、统计各像素的返回时间及其返回的激光能量，将相同返回时间下返回的激光能量进行叠加即可生成地表响应模型；
步骤S23中通过降维统计将二维地表模型生成一维地表响应函数；
S3、利用步骤S1生成的发射脉冲模型与步骤S2获取的地表目标响应函数模拟生成模拟激光回波波形，与实际波形进行对比分析，通过逐步距移动激光光斑精确确定激光雷达脚点位置。
2.如权利要求1所述的一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其特征在于：步骤S3的实现过程包括以下步骤：
S31、将步骤S1得到的发射脉冲模型与步骤S2得到的地表目标响应函数进行卷积，得到模拟激光回波波形；
S32、计算模拟激光回波波形与实际波形的匹配度；
S33、逐步距对数字地表模型进行波形模拟与波形匹配度计算，寻找数字地表模型中与实际波形匹配度最高的光斑位置，即为激光脚点中心坐标的精确位置。
3.如权利要求2所述的一种基于地表模型的星载激光雷达脚点精确定位方法，其特征在于：步骤S32中利用皮氏相关系数来表征模拟波形与实际波形的匹配度，皮氏相关系数越大，匹配程度越高。
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