CN115372945A - 一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，首先使用高光谱激光雷达测量参考同质目标在所有波长下不同距离的原始回波强度数据；对测得的原始回波强度数据进行归一化处理，得到归一化后无量纲的回波强度数据；采用分段拟合模型法计算距离效应函数；根据构建的距离效应函数，以某一标准距离R_s为参考，计算距离效应校正因子；根据计算得到的距离效应校正因子，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正，得到距离效应校正后的回波强度数据。上述方法充分考虑了不同高光谱激光雷达波长下距离效应的同一性，且不受植被指数法的限制，能得到任一距离处距离效应校正后的回波强度，为后续生化参数垂直估算奠定了基础。

Description

一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法

技术领域

本发明涉及高光谱激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法。

背景技术

高光谱激光雷达点云数据的获取主要依赖于两种方式，一种是基于多个单波段激光雷达系统的组合，另外一种则是融合传统单波段激光雷达与高光谱成像仪数据，但前者存在多个传感器激光光源位置不同带来的数据匹配与校准问题，后者存在着二维高光谱像元与三维点云数据融合时匹配难、误差大的问题，高光谱激光雷达的出现突破了前述方式的技术瓶颈，利用高光谱激光雷达可以直接获取目标物高光谱三维点云数据，但是高光谱激光雷达也面临着距离效应问题，对于同一目标物，高光谱激光雷达收集到的回波强度会随着距离的增加先逐渐增大，再逐渐减小，并不固定，这在反演植被三维生化参数时会带来一定的误差，极大影响了高光谱激光雷达准备估算目标物理化性质的能力。

目前针对传统单波段激光雷达距离效应校正的方法主要分为理论模型、多项式模型和植被指数法。其中，理论模型源于激光雷达辐射传输原理，用距离平方反比法来表征单波段激光雷达的距离效应，即对于同一目标物，理论上激光雷达接收到的回波强度与距离二次方成反比，回波强度随距离增加逐渐减小。这种方法的缺点在于忽略了激光雷达的近距离散焦效应，激光雷达系统会对回波信号进行调节，对近距离较强信号进行缩小，对远距离较弱信号进行放大，因此距离效应并不遵循理论模型；多项式模型则是在一定测量距离范围内，将反射率和入射角效应的影响视为固定值K，将单波段回波强度与距离的变化用多项式函数进行拟合，用拟合得到的多项式函数来校正不同距离对应的回波强度。然而这种方法针对的是单波段激光雷达，由于高光谱激光雷达引入了更多的光谱信息，在消除距离效应时不得不兼顾更多的波长，需重新研究不同波长的距离效应现象和校正函数；植被指数法则完全不对不同距离下的回波强度进行校正，只利用比值或者其他构建方法构建植被指数，结果获得一个植被指数值，其缺点在于用户无法直接得到所有波长距离效应校正后的回波强度信息，如果该植被指数不适用于后续定量化研究，则无法继续使用。

因此，亟需开展高光谱激光雷达距离效应现象研究，找到一种适用于高光谱激光雷达距离效应校正的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，该方法充分考虑了不同高光谱激光雷达波长下距离效应的同一性，且不受植被指数法的限制，能得到任一距离处距离效应校正后的回波强度，为后续生化参数垂直估算奠定了基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，所述方法包括：

步骤1、使用高光谱激光雷达测量参考同质目标在所有波长下不同距离的原始回波强度数据；其中，所述参考同质目标选用99％标准反射率板；

步骤2、对步骤1测得的原始回波强度数据进行归一化处理，得到归一化后无量纲的回波强度数据；

步骤3、针对步骤2中归一化后无量纲的回波强度数据，采用分段拟合模型法计算距离效应函数；

步骤4、根据步骤3构建的距离效应函数，以某一标准距离R_s为参考，计算距离效应校正因子；

步骤5、根据步骤4计算得到的距离效应校正因子，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正，得到距离效应校正后的高光谱激光雷达回波强度数据。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法充分考虑了不同高光谱激光雷达波长下距离效应的同一性，且不受植被指数法的限制，能得到任一距离处距离效应校正后的回波强度，为后续生化参数垂直估算奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法流程示意图；

图2为本发明所举实例99％标准反射率板原始回波强度随距离变化的示意图；

图3为本发明所举实例99％标准反射率板归一化处理后回波强度随距离变化的示意图；

图4为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法进行距离效应校正后的标准反射板回波强度示意图；

图5为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法对99％标准反射率板距离效应校正的误差评价示意图；

图6为本发明所举实例植被叶片样本原始回波强度随距离变化示意图；

图7为本发明所举实例植被叶片样本归一化处理后回波强度随距离变化的示意图；

图8为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法进行距离效应校正后的植被叶片样本回波强度示意图；

图9为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法对叶片样本距离效应校正的误差评价示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、使用高光谱激光雷达测量参考同质目标在所有波长下不同距离的原始回波强度数据；其中，所述参考同质目标选用99％标准反射率板；

在该步骤中，选择99％标准反射率板作为距离效应校正的参考同质目标，其原因是距离效应测量过程中需要只考虑激光雷达本身的系统效应。在使用高光谱激光雷达测量过程中，随着距离增加，目标物表面反射率需保持不变；

其中，依据高光谱激光雷达的最大测量范围，距离变化设置为2.5m-22m，步长为0.5m，每完成一次测量，参考同质目标与高光谱激光雷达间的距离增加0.5m；

高光谱激光雷达的波长范围为523nm-800nm，共16个波段，如图2所示为本发明所举实例99％标准反射率板原始回波强度随距离变化的示意图。

具体实现中，本实施例未设置更远距离的原因是实验发现距离过远会导致接收信号不稳定，回波强度微弱。

步骤2、对步骤1测得的原始回波强度数据进行归一化处理，得到归一化后无量纲的回波强度数据；

在该步骤中，具体实现归一化的计算公式为：

其中，I_stan(R)为99％标准反射率板在某一距离R对应归一化后的强度值；I_raw(R)为距离R处原始测量得到的回波强度值；I_max为对应波长下的最大原始回波强度。

举例来说，对高光谱激光雷达收集到的99％标准反射率板每个波段的距离实验数据，先计算出第一个波段523nm对应的最大原始回波强度I_max，再对该波段(523nm)每个距离R处的原始回波强度值I_raw(R)进行归一化处理，归一化方式为相除，得到该波段(523nm)的归一化回波强度I_stan(R)，取值范围为0-1。

对所有波段都进行上述计算，得到所有波段的归一化后无量纲的回波强度数据，如图3所示为本发明所举实例99％标准反射率板归一化处理后回波强度随距离变化的示意图。

步骤3、针对步骤2中归一化后无量纲的回波强度数据，采用分段拟合模型法计算距离效应函数；

在该步骤中，具体拟合公式如下：

f(R)＝aR²+bR+c,R≤R_seg；

f(R)＝de^-fR+g,R＞R_seg

其中，R为高光谱激光雷达到目标物的距离；f(R)为距离效应函数值；a，b，c，d，f，g为模型待估算参数，采用最小二乘法进行拟合得到；R_seg为距离分割值，表示以该点处距离对应的归一化后的回波强度作为分界值，拟合公式的第一部分采用二次多项式拟合模型，第二部分采用指数模型。

举例来说，针对归一化后无量纲的回波强度数据，以6.5m为距离分割值R_seg，小于等于6.5m的归一化强度-距离现象通过二次函数拟合，大于6.5m的归一化强度-距离现象根据激光雷达随距离增大逐渐减小的效应选用指数函数进行拟合。

将对应波段所有距离R和归一化距离效应函数值f(R)代入上式，采用最小二乘法进行拟合，即可估算出a、b、c、d、f、g的参数值，应当注意的是，这些参数值的小数保留位数会影响距离效应函数的准确性，本发明实例求得的参数结果见下表1所示：

表1高光谱激光雷达距离效应函数参数表

a	b	c	d	f	g
						-0.07868	0.85736	-1.33055	2.67067	0.16357	0.16357

步骤4、根据步骤3构建的距离效应函数，以某一标准距离R_s为参考，计算距离效应校正因子；

在该步骤中，距离效应校正因子的计算公式如下：

其中，i(R)为距离效应校正因子；f(R_s)为标准距离R_s处的距离效应函数值，为步骤3中拟合得到的分段模型函数值；f(R)为任一距离处对应的距离效应函数值。

具体地，如果实验得到某一场景的扫描点云，为消除该场景中点云的距离效应，需要对不同距离下的回波强度进行校正，一般可以场景目标物距离激光雷达的平均距离作为标准距离R_s，将其他距离处的回波强度校正至该距离下。

举例来说，本实施例中以8.7m作为标准距离R_s，进行距离效应校正的过程是：先计算波长523nm和标准距离R_s＝8.7m处的距离效应函数值；再计算波长523nm和距离R＝2.5m处的距离效应函数值，二者比值记为校正因子i(R)。

步骤5、根据步骤4计算得到的距离效应校正因子，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正，得到距离效应校正后的高光谱激光雷达回波强度数据。

在该步骤中，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正的计算公式如下：

I_cor(R)＝I_raw(R)×i(R)

其中，I_cor(R)为距离R处校正后的回波强度；i(R)为距离效应校正因子；I_raw(R)为距离R处原始测量得到的回波强度值；

将某一波长和某一距离处的原始回波强度值与距离效应校正因子相乘，就可得到该波长该距离处校正后的回波强度值；对所有距离都进行步骤4和步骤5的计算过程，即可得到对应波长下所有距离处校正后的回波强度值，再依次遍历所有波长，即可得到所有波长下所有距离处校正后的回波强度值。

举例来说，将波长523nm和距离R＝2.5m处的原始回波强度值与校正因子相乘，就可以得到R＝2.5m处的校正后回波强度值；对所有距离都进行步骤4和步骤5计算过程，即可得到该波长下所有距离对应校正后的回波强度值；再依次遍历所有波长，执行步骤4和步骤5的操作，即可得到其他波长处所有距离下校正后的回波强度。

下面对本发明实施例所述校正方法的效果及误差进行分析如下：

如图2所示为本发明所举实例99％标准反射率板原始回波强度随距离变化的示意图，可以看出，高光谱激光雷达并不总是随距离增加回波强度逐渐减小，在近距离2.5m-5.5m处有明显的反常现象，回波强度随距离增加逐渐上升，这是由于系统的散焦效应造成的。

如图3所示为本发明所举实例99％标准反射率板归一化处理后回波强度随距离变化的示意图，显然对于各波长，归一化回波强度表现出明显的距离效应同一性，因此高光谱激光雷达距离效应与波长无关，对于不同波长，采用统一的距离效应函数即可表征其变化特性。

如图4所示为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法进行距离效应校正后的标准反射板回波强度示意图，包括距离平方反比法(图4(a))、多项式模型法(图4(b))、本发明实施例所述方法(图4(c))进行校正后的三种99％标准反射率板回波强度示意图，与图2的原始回波强度相比，距离平方反比法校正后回波强度(图4(a))在大于6.5m时表现较好，没有发现明显的波动，但对于散焦效应范围内的距离效应校正后的回波强度，从0增大到15mV，变化较大，因此该方法也不适用于高光谱激光雷达焦点前距离效应校正过程。对于多项式模型法校正后的回波强度(图4(b))与分段拟合模型法校正后的回波强度(图4(c))，二者对原始回波强度的校正效果很好，很好地将其他距离处回波强度校正到了标准距离下，虽然强度变化趋势看上去差别不大，但在局部如较大距离20m后，本发明分段拟合模型法波动较小，要优于多项式模型法。

上述结果表明：基于同质目标的分段拟合模型校正方法对于原始回波强度的校正效果要好，总体上距离效应已消除。

另外，为定量对比分析其校正效果，进行了误差分析。分别计算了经典方法和分段拟合模型法对于上述99％标准反射率板校正的标准差和变异系数，标准差用来表示数据内部的变化波动性，变异系数为标准差与平均值的比值，通过与平均值的比值，使得变异系数能够更加准确地去刻画这种数据内部的波动差异性，如图5所示为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法对99％标准反射率板距离效应校正的误差评价示意图。

从图5(a)标准差示意图可以明显看出：原始回波强度变化剧烈，内部差异性较大，校正后的回波强度内部波动要小于原始回波强度，具体地，分段拟合模型法标准差最小，要略优于多项式模型法，二者整体标准差要小于距离平方反比法。从图5(b)变异系数示意图可以看到本发明实施例所述校正方法的变异系数最小，在很多波段处均要小于多项式模型法，由此显示了本发明实施例所述校正方法的优越性。更重要的是，本发明实施例所述校正方法后半段采用的是指数模型，在测量距离外的更远距离处，运算原理上也要优于多项式模型，原因是多项式模型只能模拟实验得到的可测数据的变化函数，在更远距离处，如果进行拟合，其结果可能是回波强度重新上升到很大数值或进行先增大再减小再增大的循环变化，不符合激光雷达在焦点外强度随距离逐渐降低的现象。

此外，为了说明本发明实施例提出方法的有效性，还以植被叶片样本为测量对象进行验证。图6为本发明所举实例植被叶片样本原始回波强度随距离变化示意图，图7为本发明所举实例植被叶片样本归一化处理后回波强度随距离变化的示意图，在距离较大处不同波长间有一点差异，但从整体上看依然可以说明距离效应与波长无关。

如图8所示为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法进行距离效应校正后的植被叶片样本回波强度示意图，包括距离平方反比法(图8(a))和多项式模型法(图8(b))进行校正后的叶片样本回波强度，本发明实施例所述校正方法(图8(c))仍然展现一定的适用性；通过计算标准差和变异系数，如图9所示为使用距离平方反比法及多项式模型法和本发明实施例所述方法对叶片样本距离效应校正的误差评价示意图，可以看出，本发明实施例所述校正方法标准差和变异系数均要小于其他方法，校正效果较优。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述校正方法以同质目标(99％标准反射率板)作为测量对象去估算高光谱激光雷达距离效应函数，可以避免使用自然目标物如植被叶片等作为测量对象在距离增加过程中引入的反射率变化误差，提高了距离效应函数的准确性，在使用过程中，本发明的校正方法不受植被指数法的限制，可以得到任一波长和距离下校正后的回波强度，这为后续生化参数垂直估算奠定了基础。

同时，本方法不局限于某一波长，而是针对所有高光谱激光雷达波长下不同距离的回波强度校正过程，原因是因为在具体实例测量中发现了不同波长的距离效应同一性。分段拟合模型后半段采用的指数型函数，相比二次多项式拟合函数，超出实验距离最大值后的工程测量场景中依然可以使用该函数，函数值逐渐减小更加符合激光雷达距离效应现象，而通常的二次多项式拟合函数在超出实验距离最大值后会出现迅速上升的趋势，只能拟合并校正实验时所设置距离处的回波强度。

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披露的技术范围内，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书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、使用高光谱激光雷达测量参考同质目标在所有波长下不同距离的原始回波强度数据；其中，所述参考同质目标选用99％标准反射率板；

步骤2、对步骤1测得的原始回波强度数据进行归一化处理，得到归一化后无量纲的回波强度数据；

步骤3、针对步骤2中归一化后无量纲的回波强度数据，采用分段拟合模型法计算距离效应函数；

步骤4、根据步骤3构建的距离效应函数，以某一标准距离R_s为参考，计算距离效应校正因子；

步骤5、根据步骤4计算得到的距离效应校正因子，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正，得到距离效应校正后的高光谱激光雷达回波强度数据。

2.根据权利要求1所述基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，在步骤1中，在使用高光谱激光雷达测量过程中，随着距离增加，目标物表面反射率需保持不变；

其中，依据高光谱激光雷达的最大测量范围，距离变化设置为2.5m-22m，步长为0.5m，每完成一次测量，参考同质目标与高光谱激光雷达间的距离增加0.5m；

高光谱激光雷达的波长范围为523nm-800nm，共16个波段。

3.根据权利要求1所述基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，在步骤2中，具体实现归一化的计算公式为：

其中，I_stan(R)为99％标准反射率板在某一距离R对应归一化后的强度值；I_raw(R)为距离R处原始测量得到的回波强度值；I_max为对应波长下的最大原始回波强度。

4.根据权利要求1所述基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，在步骤3中，具体拟合公式如下：

f(R)＝aR²+bR+c,R≤R_seg；

f(R)＝de^-fR+g,R＞R_seg

其中，R为高光谱激光雷达到目标物的距离；f(R)为距离效应函数值；a，b，c，d，f，g为模型待估算参数，采用最小二乘法进行拟合得到；R_seg为距离分割值，表示以该点处距离对应的归一化后的回波强度作为分界值，拟合公式的第一部分采用二次多项式拟合模型，第二部分采用指数模型。

5.根据权利要求1所述基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，在步骤4中，距离效应校正因子的计算公式如下：

其中，i(R)为距离效应校正因子；f(R_s)为标准距离R_s处的距离效应函数值，为步骤3中拟合得到的分段模型函数值；f(R)为任一距离处对应的距离效应函数值。

6.根据权利要求1所述基于同质目标的高光谱激光雷达距离效应校正的方法，其特征在于，在步骤5中，对任一距离R处的原始回波强度数据进行校正的计算公式如下：

I_cor(R)＝I_raw(R)×i(R)

其中，I_cor(R)为距离R处校正后的回波强度；i(R)为距离效应校正因子；I_raw(R)为距离R处原始测量得到的回波强度值；

将某一波长和某一距离处的原始回波强度值与距离效应校正因子相乘，就可得到该波长该距离处校正后的回波强度值；对所有距离都进行步骤4和步骤5的计算过程，即可得到对应波长下所有距离处校正后的回波强度值，再依次遍历所有波长，即可得到所有波长下所有距离处校正后的回波强度值。

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