CN112924988B - 基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法 - Google Patents

基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，目的是在复杂地形下提取满足一定应用需求的高程控制点数据，该方法包括获取星载单光子激光测高系统的地形高程数据；获取地形高程数据对应的云置信度标签，保留云置信度标签值小于预设的第一数值的地形高程数据；保留地形光子数比率大于预设的第二数值的地形高程数据；保留每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差满足第一条件的地形高程数据等。与现有技术相比，本发明所提取的地形高程在平地、丘陵和山区的高程精度均满足三种地形1:2000地形图的要求，且准确率优于90％。

Description

基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法
技术领域
本发明涉及高程控制点提取方法领域，尤其是涉及基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法。
背景技术
星载激光测高技术因其高精度的距离探测，可以为立体测图提供高精度的高程控制点，对提高无地面控制点区域内地形测图的精度具有重要作用。以往，具有全波形探测的激光测高卫星，如ICESat卫星一直被用作技术的主要数据源。随着该技术的发展，于2018年发射的ICESat-2卫星上是一颗单光子激光测高卫星，其所搭载的激光测高仪可以发射3对532波长的激光束，并以10kHz的激光重复频率对地进行探测。每对激光束包括了一个强波束和一个弱波束(强弱波束能量比为1:4)，各个波束在对地探测时，将形成约17m大小的地面足迹和0.7m的地面足印间隔。与ICESat卫星相比，ICESat-2卫星所搭载的激光测高仪具有更高的空间分辨率以及更多的地面轮廓描述，这将有望进一步提高星载激光测高技术在立体测绘领域的应用能力。然而，由于ICESat-2卫星与ICESat卫星所搭载的激光测高仪的工作模式存在不同，例如ICESat-2卫星无法记录回波波形，无法使用相关的评估标签，很难用将以往针对ICESat卫星的高精度高程控制点方法直接应用ICESat-2卫星中。
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实现所提取的高程控制点满足1:2000测图高程控制点的精度要求的基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，包括以下步骤：
获取星载单光子激光测高系统的地形高程数据；
获取所述地形高程数据对应的云置信度标签，保留云置信度标签值小于预设的第一数值的地形高程数据；
保留地形光子数比率大于预设的第二数值的地形高程数据；
保留每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差满足第一条件的地形高程数据；
所述第一条件的表达式为：
σelevation＜Th+100·tan(θ)
式中，σelevation为光子高程标准差，Th为高程精度要求，θ为斜率。
进一步地，所述第一数值为2。
进一步地，所述地形光子数比率的计算表达式为：
Figure BDA0002925616790000021
式中，P为地形光子数比率，nterrain为地形光子数，nall为总光子数。
进一步地，所述第二数值为0.5。
进一步地，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
与DEM/DSM数据进行比较，对偏差绝对差值大于50m的地形高程进行剔除。
进一步地，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：剔除每个沿轨距离间隔内的总光子数超过500的地形高程。
进一步地，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
保留光子地理位置不确定性小于高程控制点精度要求的地形高程。
进一步地，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
保留沿轨距离间隔内每个子段都有地面光子的地形高程，以及地形倾斜度不超过1的地形高程。
进一步地，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法具体包括以下步骤：
S1：获取星载单光子激光测高系统的地形高程数据；
S2：与DEM/DSM数据进行比较，对偏差绝对差值大于50m的地形高程进行剔除；
S3：剔除每个沿轨距离间隔内的总光子数超过500的地形高程；
S4：保留地形光子数与总光子数的比率大于50％的地形高程数据；
S5：获取所述地形高程数据对应的云置信度标签，保留云置信度标签值小于2的地形高程数据；
S6：保留每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差满足第一条件的地形高程数据；
所述第一条件的表达式为：
σelevation＜Th+100·tan(θ)
式中，σelevation为光子高程标准差，Th为高程精度要求，θ为斜率；
S7：保留光子地理位置不确定性小于高程控制点精度要求的地形高程；
S8：保留沿轨距离间隔内每个子段都有地面光子的地形高程，
S9：保留地形倾斜度不超过1的地形高程；
S10：采用经过步骤S2-S9处理得到的地形高程数据作为提取后的地形高程数据。
进一步地，通过ICESat-2卫星的ATL09产品获取所述每个沿轨距离间隔内的总光子数和云置信度标签。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出了一种基于综合评估标签的单光子激光测高卫星高精度高程控制点提取方法，目的是在复杂地形下提取满足一定应用需求的高程控制点数据。通过分别使用机载激光雷达数据和ICESat-2卫星的测高产品ATL08作为现场数据和星载单光子激光测高数据，对所提出的方法进行验证。验证结果表明本方法所提取的地形高程在平地、丘陵和山区的高程精度均满足三种地形1:2000地形图的要求，且准确率优于90％。
附图说明
图1为本发明实施例中基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中三类地形强弱波束地形高程的样本分布图；
图3为本发明实施例中的提取结果分析图。
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
星载激光测高技术具有测距精度高的特点，可以提高无地面控制点区域内卫星立体测图的测绘精度。过去，全波形激光测高卫星，如ICESat卫星，所搭载的测高仪是作为该技术的主要数据源之一。而作为其第二代卫星，ICESat-2卫星是一颗单光子激光测高卫星，其所搭载的测高仪采用了一种全新的探测技术-光子计数。该测高仪具有多个波束以及更高的激光发射频率，可以提供更详细的地面轮廓描述，从而进一步提高立体测图领域的应用能力。然而，由于两类星载激光测高仪的不同工作模式，以往基于全波形激光测高卫星的高精度高程控制点的提取方法，不能直接应用于单光子激光测高卫星中。
星载单光子激光测高系统主要受卫星姿态和轨道、大气、太阳背景以及探测区域内物体的影响，导致精度不一致。考虑到ICESat-2卫星具有高精度的姿态和轨道质量控制，本实施例主要研究探测区域的大气、太阳背景、地形起伏和土地覆盖等其他影响。
一、基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法
本实施例中基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法包括以下步骤：
首先，由仪器误差、极端大气条件等引起的地形高程异常值，可能超出常规评估标签的评估能力。本实施例通过与DEM/DSM数据进行比较剔除异常值，对偏差绝对差值大于50m的地形高程进行剔除。
然后，根据各类影响因素，选取相应的评价标签进行分析，提取出满足精度要求的地形高程。其中，卫星各个沿轨距离间隔内的光子数的变化可作为土地覆盖(反射率)、大气条件和太阳背景的重要综合评价。每个沿轨距离间隔(ICESat-2卫星ATL08产品为100m)内光子数过低或过高都不利于准确地计算地形高程。一般来说，光子数过低将导致没有足够的光子用于计算地形高程，而光子数过高将导致更多的噪声光子(产生的大气或太阳背景)或其他高反射率土地覆盖(如植被)参与地形高程的计算过程中，从而降低计算结果的准确性。在ATL08产品的生成算法中，当段内光子数过低(≤50)时，将不计算地形高程。因此，对于此评估标签，本实施例只限制每个沿轨距离间隔内的光子数量过多的情况，即剔除间隔内的总光子数超过500的地形高程。
再然后，通过云量或气溶胶量对大气条件进行进一步的评估。一般来说，较厚的云层或气溶胶将导致更多的测量误差，这将降低光子的地理定位精度。因此，本实施例选择ATL08产品中的云置信度标签对该影响因素进行评估。该标签来源ICESat-2卫星的ATL09产品，用于指示大气剖面中云或气溶胶层的数量。如果标志大于0，则可能存在气溶胶或云，有效范围为0-10。针对该评估标签，本实施例保留标签值小于2的地形高程。而对于探测区域的土地覆盖类别所造成的影响，本实施例则利用地形光子数nterrain与总光子数nall的比率(地形光子数比率P，如公式(1)所示)来进一步评估。一般来说，该值越高，则越有利于地形高程的反演。为了获得较高的可靠度，本实施例保留比例大于50％的地形高程。
Figure BDA0002925616790000051
对于探测区域内地形起伏所造成的影响，则可以用探测区域内的坡度和粗糙度来表征。为此，本实施例只保留了每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差σelevation和斜率θ满足公式(2)限制的地形高程。
σelevation＜Th+100·tan(θ) (2)
上式中，Th为高程精度要求。依据1:2000测图高程控制点的高程精度要求，平地、丘陵、山区的高程精度要求分别为0.5m、0.7m、1.5m。
最后，地形高程是通过线性、三阶、以及四阶多项式对沿轨距离间隔内地形光子进行拟合计算所得。因此，每个沿轨距离间隔内地形光子的地理位置不确定性将是一个重要的评估标签。为此，本实施例保留光子地理位置不确定性小于高程控制点精度要求的地形高程。此外，为了获得更好的拟合精度，地形光子需要均匀地分布在线段的水平方向上，并且地形倾斜度要小。为此，本实施例保留沿轨距离间隔内每个子段都有地面光子的地形高程，以及地形倾斜度不超过1的地形高程。
二、实验结果与讨论
为了验证本实施例所提出的方法，本实施例选择了美国西部地区(犹他州、爱达荷州和科罗拉多州的部分地区)作为研究区域。研究区域内所使用到的实验数据为ICESat-2卫星的ATL08产品。在ATL08产品中，沿轨距离间隔的长度为100m，位于非水域的每个沿轨距离间隔内中心位置的最佳拟合地形高程(简称“地形高程”)作为高程控制点进行分析。研究区域内分布的机载激光雷达数据集为UT16_UGS，其垂直误差分别小于19.6cm(RMSE)，均高于1:2000测图高程控制点的精度要求，可以作为验证数据对实验结果进行验证。依据CH/T9008.2-2010文件，以平地高程精度0.5m，丘陵地高程精度0.7m和山地高程精度要求1.5m作为精度要求(1:2000测图高程控制点)。
按照平地(坡度<2°)、丘陵(坡度<2°≤6°)和山地(坡度<6°≤25°)，分别将强波束和弱波束的地形高程各自进行划分，划分后的样本数分布如图2所示。
通过机载激光雷达数据对地形高程展开验证。在验证过程中，考虑到ICESat-2卫星足印平面定位偏差一般为6.5m以内，因此对于每个地形高程，以其平面地理位置为中心，半经为7m的圆形区域内的机载激光雷达数据中地面点云高程取均值后与地形高程进行比较，从而验证地形高程的高程精度。图2所示样本的高程精度验证结果如表1所示。从表1中可以看出，无论是强波束还是弱波束，原始地形高程在三类地形中均不满足1：2000测图高程控制点的精度要求。而依据本实施例所提出的方法，对图2所示样本进行提取后的结果如图3所示。从图3中，可以看出，本实施例所提出的方法所提取的地形高程，无论是强波束还是弱波束，均满足1：2000测图高程控制点的精度要求。而在提取结果保留率中，平地区域的保留率最高，其次是丘陵地，最低的为山地。更多地，三类地形中所提取的地形高程在满足精度要求比例上均优于90％。
表1三类地形强弱波束地形高程的RMSE
Figure BDA0002925616790000061
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做出诸多修改和变化。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 (7)

1.一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取星载单光子激光测高系统的地形高程数据；
获取所述地形高程数据对应的云置信度标签，保留云置信度标签值小于预设的第一数值的地形高程数据；
保留地形光子数比率大于预设的第二数值的地形高程数据；
保留每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差满足第一条件的地形高程数据；
所述第一条件的表达式为：
σelevation＜Th+100·tan(θ)
式中，σelevation为光子高程标准差，Th为高程精度要求，θ为斜率；
所述第一数值为2；
所述地形光子数比率的计算表达式为：
Figure FDA0003625300600000011
式中，P为地形光子数比率，nterrain为地形光子数，nall为总光子数；
所述第二数值为0.5。
2.根据权利要求1所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
与DEM/DSM数据进行比较，对偏差绝对差值大于50m的地形高程进行剔除。
3.根据权利要求1所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：剔除每个沿轨距离间隔内的总光子数超过500的地形高程。
4.根据权利要求1所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
保留光子地理位置不确定性小于高程控制点精度要求的地形高程。
5.根据权利要求1所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法还包括：
保留沿轨距离间隔内每个子段都有地面光子的地形高程，以及地形倾斜度不超过1的地形高程。
6.根据权利要求1所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，所述星载单光子激光测高高程控制点提取方法具体包括以下步骤：
S1：获取星载单光子激光测高系统的地形高程数据；
S2：与DEM/DSM数据进行比较，对偏差绝对差值大于50m的地形高程进行剔除；
S3：剔除每个沿轨距离间隔内的总光子数超过500的地形高程；
S4：保留地形光子数与总光子数的比率大于50％的地形高程数据；
S5：获取所述地形高程数据对应的云置信度标签，保留云置信度标签值小于2的地形高程数据；
S6：保留每个沿轨距离间隔内的光子高程标准差满足第一条件的地形高程数据；
所述第一条件的表达式为：
σelevation＜Th+100·tan(θ)
式中，σelevation为光子高程标准差，Th为高程精度要求，θ为斜率；
S7：保留光子地理位置不确定性小于高程控制点精度要求的地形高程；
S8：保留沿轨距离间隔内每个子段都有地面光子的地形高程，
S9：保留地形倾斜度不超过1的地形高程；
S10：采用经过步骤S2-S9处理得到的地形高程数据作为提取后的地形高程数据。
7.根据权利要求6所述的一种基于评估标签的星载单光子激光测高高程控制点提取方法，其特征在于，通过ICESat-2卫星的ATL09产品获取所述每个沿轨距离间隔内的总光子数和云置信度标签。
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