CN114325747A - 一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，包括：标定卫星激光载荷回波接收电路中APD增益值；利用标定后的APD增益值计算其他激光足印内的地物反射率。本发明充分挖掘了卫星激光这一新型载荷的物理特性，大范围获取足印光斑内地物反射率信息，计算结果具有较高的准确度，可用于辅助地物分类等应用。

Description

一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法

技术领域

本发明涉及足印内地物反射率技术领域，尤其涉及一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法。

背景技术

不同的地物类型，其地物反射率的值是不同的，例如《大气科学辞典》中介绍，裸地的地表反射率为10％-25％，沙漠的地表反射率为25％-46％。地表反照率可以通过遥感成像提供的辐射亮度值等来获得，以反射率作为已知条件，可以根据反射率的范围来进行典型地物类型的判断等后续应用。

目前，关于计算地物反射率的方法，国内外专家提出了很多的方法，主要可以分为以下几种：第一种就是传统的测量方法，利用光谱仪进行实地测量，该方法虽然可以取得准确的结果，但是会受野外工作环境的影响，耗费大量的人力、物力，诸多不便；第二种是利用辐射传输模型进行地物反射率的计算，如6s模型(Second Simulation of the SatelliteSignal in the Solar Spectrum)、lowtran模型(Low Resolution Transmission)、modtran模型(Moderate Resolution Transmission)、Flaash模型(Fast line-of-sightatmospheric analysis of spectral hypercubes)等，这一方法是一个大气校正的过程，虽然也能得到不错的精度，但需要较多且较为准确的大气环境参数；第三种方法是利用图像进行反射率计算，典型的方法有：内部平均法、平常域法、对数残差法等，该方法虽然只借助图像数据，简便快捷，但只得到了反射率的相对值，还需要后续的转换；第四种方法是借助地面地物的已知光谱反射率来计算地物反射率，包括混合光谱法、经验线性法，这一方法要根据地面同步测量数据进行计算，耗时耗力。

长期以来，在获取目标地物三维信息中，激光雷达总是充当着关键技术作用，被应用于森林监测、军事国防、国土测绘等众多领域。激光雷达数据不仅包含目标地物的空间信息，也包含目标地物的辐射信息，传统的激光雷达往往侧重于对回波数据的几何特性进行分析与应用，这使得激光雷达数据的应用存在一定的局限性。近年来，随着高光谱/多光谱激光雷达、全波形激光雷达的发展，激光雷达数据中的辐射信息被广泛挖掘。激光雷达回波强度数据记录了目标地物后向散射回波信息，能够表征地物目标的辐射特性。一般来说，激光雷达的回波信号强度主要有三个影响因素：1)激光雷达发射激光束到地面地物，相互作用产生回波信号，也就是被探测地物的反射率；2)激光雷达光束穿过云层、大气到达地面，与被探测地物之间存在的介质对回波信号的影响，即大气对回波信号的衰减；3)激光器等硬件设施的配置。在研究激光能量强度和地物反射率的关系时，利用激光强度信息首要的问题就是对其进行改正。激光强度改正是指消除各种影响因素，将原始激光强度值转换为一个仅与目标反射率相关的值。

关于激光能量强度和地物反射率之间，国内外有不少学者进行了研究。国内方面，杜松等从激光雷达辐射传输机理出发，构建具有明确物理意义的激光雷达回波强度数据辐射传输机理方程，基于该方程系统性地探讨和分析激光雷达回波强度数据的辐射特征和关键因素，为开展激光雷达辐射定标、地物分类和各种定量化应用提供必要的理论依据和技术支持。谭凯等将目标反射率、入射角及距离进行分离，利用Weierstrass定理，将激光强度表示成三个因素多项式函数的乘积形式，提出了一种新的地面三维激光扫描激光强度改正模型，利用不同反射率的漫反射目标进行试验，求取改正后激光强度值，结果表明该模型可以减小同类目标回波强度的差异。钱立勇等提出一种高光谱成像激光雷达系统的光学结构设计，并对系统的光学辐射定标方法进行研究，依据探测器输出的回波信号强度信息，能够实时得到地物的反射光谱信息，进而实现高精度地形获取和地表超精细分类。Kaasalainen等通过设定不同反射率的漫反射板作为模拟地物目标，利用机载激光雷达进行标定实验，结果表明在相同光线亮度、均匀且直射情况下，激光雷达回波强度存在明显的差异。Yan等综述了利用机载激光雷达数据在城市土地覆盖分类中的应用，发现研究强度数据、波形数据和多传感器数据的使用以促进城市环境中土地覆盖分类和目标识别的兴趣越来越大，通过进行简单校正激光雷达强度数据试验，表明该数据能够适用于准确地提取和分类地物信息。Schmidt等利用全波形激光雷达数据对沿海地区水陆分类，研究表明激光雷达回波强度数据可用于划分地表覆盖物的种类和被探测地物的分类。Xu等为了克服距离和入射角效应会扭曲TLS原始强度数据，且表面粗糙度参数的估计将产生更大的偏差，从而进一步影响后续的强度校正，提出了一种结合分段拟合和重叠驱动调整方法的强度校正方法，利用RIEGLVZ-400i回波强度数据与光谱仪实测值进行对比试验分析，结果表明该方法能有效提高计算反射率的精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，通过激光雷达回波强度数据辐射特性构建激光雷达回波模型，首先利用实测数据进行卫星激光载荷回波接收电路中APD增益值的标定，之后在计算地物反射率中，只需要利用激光雷达波形数据计算回波能量强度的计算、利用采集时刻AOD值和modtran辐射传输模型求取大气透过率，通过构建的激光雷达回波方程可以准确地求取出对应底物的反射率。本方法在后续的计算中不需要实测地物、不需要较多的大气校正参数，省时省力的同时具有较高的准确度和计算效率。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，包括：

S1、标定卫星激光载荷回波接收电路中APD增益值；

S2、利用标定后的APD增益值计算其他激光足印内的地物反射率。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

针对卫星激光新型载荷，利用激光雷达回波模型，模型中考虑了星载激光雷达波形数据的辐射特性以及影响目标地物反射率因素，此模型能较好地计算出地物反射率。

结合了地物反射率实测数据和大气校正过程，对星载激光硬件设施APD增益值进行标定，使得地物反射率计算的结果具有较高的准确度。

在进行APD增益值标定之后，不需要再通过外业实测数据，减少了人力物力，并且激光雷达回波模型对大气环境参数的要求较少，算法简捷高效。

附图说明

图1是利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

高分七号(GF-7)卫星是我国首颗亚米级民用立体测绘卫星，于2019年11月3日发射，其携带的激光测高仪按0.5ns间隔采样，记录从地面返回来的波形数据及能量。星载激光雷达虽然受天气背景干扰小，但大气的散射、干扰等会对其造成很大的影响。对于高分七号卫星而言，激光二级扩束系统主要由扩束主镜和扩束次镜组成，通道光学效率等于扩束主镜和次镜效率的乘积，经计算，对1064nm波段的光学效率为99.4％。根据镀膜验收时的光学效率，将每个光学元件光学效率乘积即为拟合的激光接收通道光学效率，经计算，激光接收通道在波长1064.1nm(对应大气工作环境)透过率为70.4951729％，在波长1064.4nm(对应真空工作环境)透过率为78.1177030％。将计算得到的这些数据用于后续消除大气干扰，简化遥感过程，模拟大气成分对星载激光雷达回波信号的影响。由于利用硬件设备参数值最后得到的反射率与真值有一定的偏差，本发明利用算法原理先进行APD增益值的标定，之后再利用本算法进行反射率的求取。

如图1所示，为利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，该方法首先利用地面实测的大气、地表反射率等基准数据对卫星激光载荷的雪崩二极管(AvalanchePhoton Diode，APD)增益值进行定标，其次利用APD增益定标值、激光波形数据和大气数据，计算其他任一激光足印范围内地物反射率，即先对波形中采样电压值进行积分，然后利用标定后的APD接收到的回波功率与输出的波形电压峰值对应关系计算出每个激光点回波能量强度，利用激光脚点地理位置获取对应波形数据采集时刻的气溶胶光学厚度(AerosolOptical Depth，AOD)值，通过modtran(Moderate Resolution Transmission)大气辐射传输模型，求取大气透过率参数，最后采用激光雷达回波模型，计算出当前激光点足印内地物的反射率。

具体包括：

1)标定卫星激光载荷回波接收电路中APD增益值；

2)利用标定后的APD增益值计算其他激光足印内的地物反射率。

上述1)包括：

进行硬件设施APD增益值的标定，高分七号卫星按0.5ns间隔采样，对每一激光点回波采样800次，利用采样形成的回波波形数据计算每一激光点目标地物回波强度值，如下式(1)。

式中，V为每一激光点目标地物回波强度值，f(i)为激光点每次的采样值，BinSize为采样间隔，N为采样次数。

根据原始星载激光数据解码得到的工程数据，获取每一激光点相对应的接收能量，这一能量主要由激光器硬件系统决定，一般情况下同一波束的绝大部分激光点接收能量一致。

利用云计算平台GEE获取同一时刻激光脚点所在区域的AOD值，通过modtran辐射传输模型计算出相对应的大气透过率。在进行模型运算的过程中，只需要提供具体的时刻、经纬度位置信息、AOD值、轨道高度等数据。

过地面实测，获取激光足印内地物反射率。一般采取多次测量消除粗差。

构建星载激光雷达回波模型。根据星载激光测高仪发散角、发射脉冲能量等参数，推算地面光斑内部能量分布密度如下式：

式中，E_t为激光单脉冲能量，η_tra为系统发射效率，η_atm为大气透过率；A_t为激光光斑地面理论面积，

其中，R为卫星平台到地面光斑间距离；γ为激光器发散角；D为激光发射器孔径。

由于星载激光测高仪卫星平台高度为500km左右，距离值R远大于激光器发射孔径D，故激光器发射孔径D可忽略不计，上式中(D+Rγ)²≈R²γ²。

根据上式地面光斑能量密度分布函数，结合光斑内部反射率、，可推导出激光脉冲与地面响应后方程如下：

式中，A_tar为地面激光光斑实际面积，

D_tar为实际光斑直径，ρ为目标反射率。

激光与地面目标响应后，经地面漫反射再次穿过大气到达卫星激光接收望远镜，从而得到激光发射脉冲回波能量方程式如下所示。

式中，A_r为地面激光光斑实际面积，

D_r为望远镜孔径，η_sys为系统接收效率；

因此可得，星载激光回波能量方程如下式所示：

通过激光足印内地物回波强度值、激光点对应的接收能量、大气透过率、激光足印内地物反射率及星载激光回波能量数据计算激光点回波能量，并将计算的激光点回波能量转化成输入功率P_r。

利用APD接收到的回波功率与输出的波形电压峰值对应关系，得到APD增益值。

电压(V)＝P_r×APD增益×增益调整×阻抗匹配系数 (6)

上式中，P_r为输入功率，L通道增益调整为10dB(3.16倍)，H通道增益调整为-4dB～+36dB，阻抗匹配系数为0.5。

利用标定好的APD增益值与波形数据的回波电压值，代入步骤6中公式(6)，计算每一激光脚点的输入功率。

根据星载激光数据解码得到的波束工程数据计算每一激光点的接收能量，并利用激光脉宽转换成激光单脉接收功率。

获取同一时刻激光脚点所在区域的AOD值，通过modtran辐射传输模型计算出大气透过率η_atm。

利用构建的激光雷达回波模型，通过星载激光回波能量方程，计算激光足印内地物反射率，公式如下：

式中，ρ为目标反射率，P_r和P_t分别为激光单脉冲接收和输入功率，R为卫星平台到地面光斑间距离，γ为激光器发散角，D_r为望远镜孔径，D_tar为实际光斑直径，η_atm为大气透过率，η_tra为系统发射效率，η_sys为系统接收效率。

实施例

高分七号激光器已知参数理论值：

激光器望远镜口径(D_r)：600mm

光斑直径大小(D_tar)：15m

轨道高度(R)：505km

激光发散角(γ)：≤60μrad

本实施例选取高分七号卫星第10083轨激光波形数据作为标定APD增益值的试验数据，该数据主要分布于我国西北部地区。选择戈壁、草地、沙地、湖泊四种地物进行地物反射率实测值获取，利用算法设计步骤1)进行APD增益值的计算，将计算结果进行分析，对异常值进行分析与剔除，最后对结果进行平均值的选取作为标定的APD增益值。选择四个真实性检验站样地实测反射率数据作为真值，对本发明地物反射率计算精度进行实验统计。

(1)某某地区样地1，经度、纬度、海拔分别为37.8924°、114.690°、41.3615m，在1064nm波长下，该点地物反射率为0.3763。选择GF-7卫星波束1和波束2在该点及该点周围选择相同地物类型(小麦植被)的14个激光脚点，经本文算法计算，地物反射率计算结果为0.3858、0.3983、0.3877、0.3980、0.3809、0.3957、0.3822、0.3829、0.3785、0.3878、0.3807、0.3833、0.3805、0.3811，平均值为0.3860，与真值差值为0.0097。

(2)某某地区样地2，经度、纬度、海拔分别为37.8854°、114.685°、42.7300m，在1064nm波长下，该点地物反射率为0.3436。选择GF-7卫星波束1和波束2在该点及该点周围选择相同地物类型(草地)的11个激光脚点，经本文算法计算，地物反射率计算结果为0.3163、0.3251、0.3296、0.3299、0.3303、0.3361、0.3403、0.3228、0.3356、0.3309、0.3390，平均值为0.3305，与真值差值为0.0131。

(3)XX地区样地1，经度、纬度、海拔分别为26.7528°、111.876°、149.152m，在1064nm波长下，该点地物反射率为0.5469。选择GF-7卫星波束1和波束2在该点及该点周围选择相同地物类型(水塘)的3个激光脚点，经本文算法计算，地物反射率计算结果为0.5263、0.5435、0.5307，平均值为0.5335，与真值差值为0.0134。

(4)XX地区样地2，经度、纬度、海拔分别为26.7573°、111.846°、108.034m，在1064nm波长下，该点地物反射率为0.2675。选择GF-7卫星波束1和波束2在该点及该点周围选择相同地物类型(稻田)的2个激光脚点，经本文算法计算，地物反射率计算结果为0.2816、0.2762，平均值为0.2789，与真值差值为0.0114。

由上述差值结果可以看出，算法计算结果精确，符合要求。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、标定卫星激光载荷回波接收电路中APD增益值；

S2、利用标定后的APD增益值计算其他激光足印内的地物反射率。

2.如权利要求1所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，所述S1包括：

利用卫星采样的回波波形数据，计算每一激光足印内地物回波强度值；

根据原始数据解码得到的星载激光载荷工程数据，获取当前激光点对应的接收能量；

利用云计算平台获取同一时刻激光脚点所在区域的AOD值，通过modtran辐射传输模型，计算出相对应的大气透过率；

通过地面实测获取激光足印内地物反射率；

构建星载激光雷达回波模型；

计算激光点回波能量；

利用APD接收到的回波功率与输出的波形电压峰值对应关系，标定APD增益值。

3.如权利要求2所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，每一激光足印内地物回波强度值的计算公式为：

式中，f(i)为激光点每次的采样值，BinSize为采样间隔，N为采样次数。

4.如权利要求2所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，根据星载激光测高仪发散角、发射脉冲能量参数，推算地面光斑内部能量分布密度为：

式中，E_t为激光单脉冲能量，η_tra为系统发射效率，η_atm为大气透过率；A_t为激光光斑地面理论面积，

其中，R为卫星平台到地面光斑间距离；γ为激光器发散角；D为激光发射器孔径；

由于星载激光测高仪卫星平台高度为500km左右，距离值R远大于激光器发射孔径D，故激光器发射孔径D可忽略不计，上式中(D+Rγ)²≈R²γ²；

根据地面光斑能量密度分布函数，结合光斑内部反射率，得出激光脉冲与地面响应后方程：

式中，A_tar为地面激光光斑实际面积，

D_tar为实际光斑直径，ρ为目标反射率；

激光与地面目标响应后，经地面漫反射再次穿过大气到达卫星激光接收望远镜，从而得到激光发射脉冲回波能量方程式如下：

式中，A_r为地面激光光斑实际面积，

D_r为望远镜孔径，η_sys为系统接收效率；

因此可得，星载激光回波能量方程如下：

5.如权利要求2所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，通过激光足印内地物回波强度值、激光点对应的接收能量、大气透过率、激光足印内地物反射率及星载激光回波能量数据计算激光点回波能量，并将计算的激光点回波能量转化成输入功率。

6.如权利要求1所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，回波功率与输出的波形电压之间的计算公式为：

电压(V)＝P_r×APD增益×增益调整×阻抗匹配系数 (6)

上式中，P_r为输入功率，L通道增益调整为10dB，H通道增益调整为-4dB～+36dB，阻抗匹配系数为0.5。

7.如权利要求1所述的利用卫星激光回波数据计算足印内地物反射率的方法，其特征在于，所述S2包括：

利用标定好的APD增益值与波形数据回波电压值，通过公式(6)计算每一激光脚点的输入功率；

根据星载激光数据解码得到的波束工程数据计算每一激光点的接收能量，并利用激光脉宽转换成激光单脉接收功率；

获取同一时刻激光脚点所在区域的AOD值，通过modtran辐射传输模型计算出大气透过率η_atm；

利用构建的激光雷达回波模型，通过星载激光回波能量方程，计算激光足印内地物反射率，公式如下：

式中，ρ为目标反射率，P_r和P_t分别为激光单脉冲接收和输入功率，R为卫星平台到地面光斑间距离，γ为激光器发散角，D_r为望远镜孔径，D_tar为实际光斑直径，η_atm为大气透过率，η_tra为系统发射效率，η_sys为系统接收效率。

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