CN111156960B - 一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，包括对卫星激光测高数据，分别进行产品属性参数控制筛选、高程变化阈值控制筛选和/或地表流体流速阈值控制筛选，所述高程变化阈值控制筛选利用重复轨分析法计算高程变化率，剔除高程变化超出阈值的激光点，所述地表流体流速阈值控制筛选具体为，筛除地表流体流速超出容许阈值的激光点。与现有技术相比，本发明考虑了地表不稳定区域表面高程随时间变化较大，激光点位置随地表流体流动现象变化较大，进行对应的筛选，具有稳定可靠、筛选出的高程控制点精度高等优点。

Description

一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法
技术领域
本发明涉及卫星激光测高领域，尤其是涉及一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法。
背景技术
美国NASA于2003年发射了ICESat-1(Ice,Cloud and land ElevationSatellite)卫星，其主要目的是监测两极冰川和海冰厚度变化以及估算两极冰盖的物质平衡和气候年变化率。卫星上搭载了地球科学测高系统(Geo-science Laser AltimeterSystem,GLAS)，可以每秒发射40次激光脉冲，在地面上形成一个直径约70米的光斑，沿轨方向每隔172米测量一次。在南极冰盖上，GLAS高程测量误差大约15厘米(Shuman et al.,2006)。ICESat/GLAS测高数据虽然高程精度高，但其激光光斑较大，光斑内的地形，粗糙度等因素会影响测高精度，因此需要对激光点进行筛选才能作为高程控制点。南极地区由于存在冰下湖活动，接地线变化，降雪，冰流等现象，地表高程会发生不确定性变化，因此按照普通的筛选方法无法得到南极区域真正可靠的激光点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确可靠的适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，包括对卫星激光测高数据，分别进行产品属性参数控制筛选、高程变化阈值控制筛选和地表流体流速阈值控制筛选；
所述产品属性参数控制筛选包括，保留姿态质量为零的卫星激光测高数据，所述姿态质量根据卫星精密定姿结果来确定；
所述高程变化阈值控制筛选包括，保留高程异常值小于0.3米的卫星激光测高数据，所述高程异常值根据基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法获取；
所述地表流体流速阈值控制筛选包括，保留低于预设的地表流体流速容许阈值的数据；
所述地表流体流速阈值根据地表流体流速设定，所述地表流体流速的计算方法具体为，根据卫星激光测高数据的元数据文件，计算出异轨立体影像的交会角α，然后根据给定的高程误差限差σh，计算出相应的平面误差σp，再根据影像成像时间间隔，用平面误差σp除以成像时间间隔可估算出地表流体流速，所述平面误差σp的计算表达式为：
Figure GDA0002725960720000021
进一步地，所述产品属性参数控制筛选包括，保留地面反射率超过发射能量10％的卫星激光测高数据。
进一步地，所述产品属性参数控制筛选包括，保留增益值小于200的卫星激光测高数据。
进一步地，所述产品属性参数控制筛选包括，对回波波形进行高斯拟合，保留回波高斯拟合的方差小于0.03V且只检测到一个回波波形的卫星激光测高数据。
进一步地，所述基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法具体为，根据卫星激光测高数据中各任务期形成的每组重复的地面轨道，按沿轨-垂轨方向划分为格网，将格网内各个任务期的高程变化量最大值减去高程变化量最小值，获取高程异常值，所述高程变化量的计算公式为：
Figure GDA0002725960720000022
Figure GDA0002725960720000023
式中，dz为高程变化量，z为重复轨数据，zp为拟合的平面，t为测高数据的观测时间，t0为格网内所有任务期的中间时刻，
Figure GDA0002725960720000024
为高程平均变化率，m为地表坡度，＜[x,y]＞为格网内所有测高数据的平均位置，＜Z＞为格网内所有任务期的中间时刻。
进一步地，所述拟合的平面利用平面模型来拟合，所述地表坡度和高程平均变化率采用最小二乘法获取。
进一步地，所述高程变化阈值控制筛选包括，保留坡度在正负0.8度之间的数据。
进一步地，所述高程变化阈值控制筛选包括，保留高程变化速率在正负0.1米/年之间的数据，所述高程变化速率根据高程变化量除以对应的时间计算。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明为针对地表不稳定区域，提取出准确可靠的高程控制点，分别利用数据的属性标签筛选得到数据获取时质量较高的激光点数据；
考虑到地表不稳定区域表面高程随时间会产生较大的变化，利用重复轨分析法计算高程变化速率，剔除高程变化超出阈值的激光点数据；
考虑到地表不稳定区域的流体流动现象会使激光点位置在不同时期获取的遥感影像上产生偏移，进一步筛除出流体流速超出容许阈值的激光点；
通过在南极地区采用本发明方法进行实验验证，结果表明，利用本发明方法筛选出的激光高程控制点稳定可靠，与立体影像联合平差后，能有效提升立体影像的高程定位精度。
附图说明
图1为本发明适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法的流程示意图；
图2为最小二乘平面拟合的重复轨分析法示意图，图中不同的圆点表示不同任务期的数据，十字表示每个格网中心点，相连形成的线表示参考轨道；
图3为南极表面冰流对异轨影像匹配影响示意图，图中两个四边形分别表示T1时刻和T2时刻的两张异轨影像，地面点P在两张影像上的像点分别为p和p’，假设左右影像成像时间相隔一年，地面点在右影像上原本在虚圆点，由于冰流速移动到了p’点；
图4为Amery实验区冰流示意图，底图为rignot发布的全南极冰流速图，圆点代表筛选出来的激光高程控制点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，对ICESat卫星激光高程控制点进行筛选，本实施例方法先利用GLA12辅助文件提供的姿态质量指标、反射率值和增益值参数，以及回波波形拟合参数设定一定阈值对ICESat/GLAS测高数据进行无效值和误差较大值的滤除，由此剔除受到大气散射等作用影响的数据；然后采用基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法，筛选出在南极冰盖表面高程基本不变区域的ICESat/GLAS测高数据；最后考虑表面冰流对影像匹配的影响且设定冰流容许阈值，筛选出冰流速较低的激光点。
下面对各步骤以及实验进行具体介绍。
1、依据产品属性参数筛选
GLAS接收的激光回波信号两次经过大气层，大气层中的气体分子及气溶胶等会对激光信号产生散射、能量衰减、光斑漂移、波形展宽等多重影响。同时地表的高反射率会引起激光回波能量过饱和，云层的前向散射会引起回波波形变形，使得测距精度下降。GLA12标准数据产品中包含激光点坐标值、反射率、增益值等85个参数，利用其中一些参数能够剔除激光测高数据中误差较大值。根据以下4个原则保留符合的数据：
1)姿态质量标签(i_sigmaAtt)。代表NSIDC发布的GLAS产品的数据质量，其根据卫星精密定姿结果来确定。i_sigmaAtt值等于0时表示数据质量良好，等于50时表示存在一定姿态误差警告，等于100时表示数据质量较差。保留姿态质量标签为良好的数据。
2)反射率标签(i_reflctUncor)。激光足印的反射率由接收激光脉冲的能量除以发射激光脉冲的能量得到，而接收能量通常情况下比发射能量小。选择保留地面反射率超过发射能量10％的数据。
3)增益值标签(i_gval_rcv)。激光回波信号受到大气层影响发生散射时，接收到的回波信号能量会减小。增益值参数和接收激光回波的能量成反比，当接收能量较低时，i_gval_rcv值比较大；当接收能量较高时，i_gval_rcv值较小。利用增益值参数可以剔除受到大气散射等作用影响的数据。选出增益值小于200的数据。
4)GLAS回波波形。回波波形的波峰数、波峰位置和大小、展宽等参数可以反应地面光斑内的地形特征信息，如波形的展宽与足印内地形粗糙度与起伏有关，波形的波峰数与地物高程分布层数有关。对回波波形进行高斯拟合，保留回波高斯拟合的方差小于0.03V且只检测到一个回波的数据。
经过这一步筛选后的激光足印能够保证一定的精度且位于地势平坦地区。
2、依据高程变化量筛选
南极地区由于降雪，冰下湖活动，接地线变化等影响，冰盖表面高程是动态变化的，因此需要利用激光点处的高程变化速率提取出高程恒定不变的激光点。大量研究发现使用ICESat数据重复轨分析方法可以监测冰盖表面高程变化。
本实施例利用基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法，剔除长时间序列中表面高程变化大且地形坡度大的数据。
如图2所示，在卫星激光测高中，地面同一轨道上每个任务期激光脚点的位置并不是完全重叠的，将每组重复轨按沿轨-垂轨方向划分成500m×500m的格网。
利用平面模型来拟合每个格网内的重复轨数据z，用最小二乘法同时求解地表坡度m和高程平均变化率
Figure GDA0002725960720000051
该求解过程的表达式为：
Figure GDA0002725960720000052
式中，zp为拟合的平面，<[x,y]>为格网内所有测高数据的平均位置，t为卫星激光测高数据的观测时间，<Z>为格网内重复轨数据的平均高程，t0为格网内所有任务期的中间时刻。
通过下式可计算重复轨数据经坡度改正后相对于参考轨的高程变化量dz。
Figure GDA0002725960720000053
由地形坡度引起的高程误差Δh的表达式为：
Δh≈ΔxtanM(3)
Figure GDA0002725960720000054
式中，Δx表示激光足印直径，M表示总坡度，通过式(1)计算得到的坡度m包括沿X方向的坡度mx和沿Y方向的坡度my，总坡度M通过式(4)得到。
可按照以下三个原则筛选出高程值基本恒定的测高数据。
1)高程异常值(格网内各个任务期的dz最大值减去最小值)小于0.3米；
2)总坡度在正负0.8°之间；
3)高程变化速率(高程变化量除以对应的时间)在正负0.1米/年之间。
根据国标，对于1︰50000比例尺测图，高程控制点精度应优于1米，所以在式(3)中，激光足印直径70米，假设高程误差1米，可算得坡度应为0.8°。因为GLAS高程标称精度0.15米，所以本实施例认为高程异常值大于0.3米的区域可能是地表高程变化造成的，而非测量误差。
3、依据冰流速筛选
由于南极表面冰流活动，导致不同时间获取的异轨影像匹配得到的同名像点在像方上产生偏移，如图3所示。利用这样区域的ICESat/GLAS激光点做高程控制点，进行会引入误差。而同轨影像相邻景成像时间短，所以可以不考虑冰流速的影响。
间相隔一年，地面点在右影像上原本在虚圆点，由于冰流速移动到了p’点。
对于异轨影像的情况，可以设定冰流容许阈值，筛选出符合冰流条件的ICESat/GLAS数据。冰流容许阈值通过以下方法计算：根据影像的元数据文件，计算出异轨立体影像的交会角α，然后根据给定的高程误差限差σh，通过式(5)即可算出相应的平面误差σp。再根据影像成像时间间隔，用平面误差σp除以成像时间间隔可估算出冰流速。
Figure GDA0002725960720000061
4、试验验证
实验选取南极Amery冰架上2轨6景三线阵影像共17张，实验区范围为：[69.59°S,71.40°S]，[63.14°E,67.26°E]，面积约1.5万平方公里，两轨影像获取时间相隔一年。采用本文的方法对该区域的ICESat/GLAS激光高程点进行筛选。首先根据激光数据质量标签对全南极ICESat/GLAS数据进行筛选，数据剔除率为17.11％。再按照“高程异常值小于0.3米”、“总坡度小于0.8°”、“年际高程变化速率小于0.1米/年”进行筛选。筛选情况如表1所示。
表1数据筛选表
约束项 数据保留个数 数据剔除率
高程异常值 5773 86.24
地形坡度 4995 1.85
年际高程变化速率 4916 0.02
统计结果表明，利用高程异常值、地形坡度、年际高程变化速率三个限制条件分别剔除了86.24％、1.85％和0.02％的ICESat激光点。利用高程异常值剔除的ICESat激光点个数所占比例很高，剔除了地形表面高程随时间变化剧烈区域的ICESat激光点。剔除结果在Amery区域内剩余4916个激光点，包含在6景影像内的共有74个激光点。最后按照8米/年的速度阈值，剔除冰流速较大的激光点，结果如图4所示。
最后将ICESat激光点与资源三号立体影像匹配，再剔除误匹配点，人工剔除了纹理较弱区域的激光点，最终保留了48个可作为高程控制点的激光点。实验利用这六景影像与选出的激光点进行联合平差。实验结果如表2所示。
表2试验结果表
Figure GDA0002725960720000071
从表2可以看出，使用筛选后的ICESat/GLAS激光测高点作为高程控制点可以显著提高资源三号影像的高程定位精度。在完全无控条件下，检查点的高程精度为10.8米，加入筛选后的ICESat/GLAS激光点平差后，高程精度可提高至2.3米，验证了本实施例方法的有效。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，包括对卫星激光测高数据，分别进行产品属性参数控制筛选、高程变化阈值控制筛选和地表流体流速阈值控制筛选；
所述产品属性参数控制筛选包括，保留姿态质量为零的卫星激光测高数据，所述姿态质量根据卫星精密定姿结果来确定；
所述高程变化阈值控制筛选包括，保留高程异常值小于0.3米的卫星激光测高数据，所述高程异常值根据基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法获取；
所述地表流体流速阈值控制筛选包括，保留低于预设的地表流体流速容许阈值的数据；
所述地表流体流速阈值根据地表流体流速设定，所述地表流体流速的计算方法具体为，根据卫星激光测高数据的元数据文件，计算出异轨立体影像的交会角α，然后根据给定的高程误差限差σh，计算出相应的平面误差σp，再根据影像成像时间间隔，用平面误差σp除以成像时间间隔可估算出地表流体流速，所述平面误差σp的计算表达式为：
Figure FDA0002725960710000011
2.根据权利要求1所述的一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，所述产品属性参数控制筛选包括，保留地面反射率超过发射能量10％的卫星激光测高数据。
3.根据权利要求1所述的一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，所述产品属性参数控制筛选包括，保留增益值小于200的卫星激光测高数据。
4.根据权利要求1所述的一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，所述产品属性参数控制筛选包括，对回波波形进行高斯拟合，保留回波高斯拟合的方差小于0.03V且只检测到一个回波波形的卫星激光测高数据。
5.根据权利要求1所述的一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，所述高程变化阈值控制筛选包括，保留坡度在正负0.8度之间的数据。
6.根据权利要求1所述的一种适合地表不稳定区域的卫星激光高程控制点筛选方法，其特征在于，所述高程变化阈值控制筛选包括，保留高程变化速率在正负0.1米/年之间的数据，所述高程变化速率根据基于最小二乘平面拟合的重复轨分析法获取。
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