ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究

ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性,本文首先选取了六种地表覆盖类型(城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川)及不同观测条件的数据,对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明:白天观测数据的背景光子率平均为106(点/秒)数量级,远高于夜晚观测数据的背景光子率——104(点/秒)数量级,弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当,六种地表覆盖类型中,冰盖/冰川的背景光子率最高。然后,根据统计结果筛选出21组测高数据,并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验,分析精度后得出结论:改进局部密度法的去噪效果最佳,算法召回率、精准度和F值均大于0.90,算法较为稳定。最后,对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析,可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。

优化EMD的卫星激光测高数据地面点直接提取算法

ICESat-2卫星是全球首颗光子计数激光雷达卫星,其探测性能达到了一个全新的高度。探测数据的处理是决定其最终产品质量的关键因素,而地面点提取是其中的一项重要工作。目前ATLAS激光测高光子数据普遍采用先滤波再分类的方法进行地面点提取,存在着受全局阈值影响大、提取地面点数量少的问题,提出一种基于优化EMD的地面点直接提取算法。该算法通过最大类间方差法对EMD算法进行了优化,并结合潜在地面点缓冲区和百分位数法从原始光子数据中直接提取出精确的初始地面点,在此基础上利用渐进加密法实现了其它地面点的准确提取。针对登封地区4轨ATLAS数据的实验结果得出,本文算法较改进的椭圆邻域密度法显著提高了正确地面点的提取数量,减小了信号点损失,并得到了与实际地面更加吻合的地表曲线,可为后续地形和植被分析提供更加准确的分类数据。

星载激光测高技术进展

星载激光(雷达)测高技术已经逐步成为全方位全球观测的技术手段之一,其高测量精度、全天时测量能力、高效三维测量的特点在许多科学领域都具有独特的优势。本文讨论当前两类星载激光测高技术的工作原理、数据处理方法,并探讨了星载激光测高数据在对地观测和深空观测科学研究中的代表性应用;最后展望了未来星载激光测高技术的发展趋势。期望本文对从事星载激光测高研究、开发和应用的同行们有所裨益。

方向自适应的星载光子计数激光测高植被冠层高度估算

星载光子计数激光测高系统具有较高的沿轨距离分辨率,能够探测得到植被冠层和地表的连续高程信息。然而星载植被点云的低点云密度和低信噪比,对植被相对冠层高度的估算方法提出了新的要求。本文提出了一种方向自适应的星载光子计数激光测高植被点云冠高估算方法。首先通过寻找点云高程统计直方图中代表冠层和地面位置的极值进行粗去噪,大致得到信号高程所在的范围,并估算出冠层,地面和噪声点云的平均密度以及地表坡度。随后对粗去噪后的点云进行方向自适应的密度聚类精去噪,其邻域的方向为地表坡度,与密度有关的阈值均根据估算出的点云密度自适应的做出调整。在滤波后,结合点云的密度和高程百分比分别找出地面与树冠顶端的初始点,并通过三角网方法(TIN)扩展初始点以进行分类,最终确定地表与树冠顶端的高程。采用ATLAS星载激光测高仪的植被点云对算法进行了验证,结果表明算法能够正确估算植被冠高,十分适用于坡度较大和叶面积指数较低的地区,其中冠顶与地面的高程和机载LIDAR数据高程的决定系数R^2分别为0.99与0.77,均方根误差RMSE为0.28 m与2.6 m。

基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定

在轨标定技术是影响星载激光雷达光斑定位精度的核心技术之一。介绍了目前国内外星载激光雷达的在轨标定技术发展现状,分析了各类在轨标定技术的特点。针对新型的光子计数模式星载激光雷达的特性,提出了一种基于自然地表的星载光子计数激光雷达在轨标定新方法,使用仿真点云对标定算法的正确性进行了验证,并分别使用南极麦克莫多干谷和中国连云港地区的地表数据和美国ICESat-2卫星数据进行了交叉验证实验,实验结果表明:算法标定后的点云相对美国国家航空航天局提供的官方点云坐标平面偏移在3 m左右,高程偏移在厘米量级。文中还利用地面人工建筑等特征点对比了算法标定后的点云与官方点云之间的差异,最后对基于自然地表的在轨标定方法的精度以及标定场地形的影响进行了讨论。

新型激光测高卫星ICESat-2在地学中的应用前景综述

全球新一代的激光测高卫星ICESat-2(Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2)已于2018年9月15日升空,与线性体制激光测高卫星相比,该卫星搭载了先进地形激光测高系统(ATLAS,Advanced Topographic Laser Altimeter System),采用高重频、微脉冲、多波束的光子计数新技术,数据的采样率、覆盖能力及精度均有较大提升。本文就ICESat-2/ATLAS的技术参数、产品分级和数据应用进行了梳理,对我国光子体制激光测高卫星的发展具有一定的借鉴意义。

星载光子计数激光测高植被冠层高度误差分析

通过建立植被的单光子探测模型,分析和计算了星载光子计数激光测高植被探测中,因单光子探测原理引起的植被冠层高度误差。实验表明,北方针叶林的星载光子计数测高中单次激光脉冲首次探测到的信号光子的平均高程低于LIDAR数据提供的DSM约2.435 m。仿真结果表明,提高发射脉冲能量,减小激光脉冲发散角有助于减小误差,而拥有更高郁闭度和叶面积指数的森林,其本身的探测误差也会相应减小。

基于微通道板的单光子激光测高技术研究

与传统的激光测高技术相比,单光子激光测高技术具有数据量大、质量轻、测距精度高等优势,是激光测高技术的发展趋势。建立数学模型对单光子激光测高特性进行研究,用数值计算估计了单光子激光测高的性能,并建立了地物模型,用蒙特卡罗方法进行了仿真,提出了测高数据的滤波方法和一种利用遥感图像优化高程信息的算法。结果表明:在正午阳光背景最强烈的条件下,典型地物模型单光子激光测高的均方根误差为6.1cm,用算法优化后的误差为2.6cm。

光子体制激光测高卫星大气探测算法分析

作为新一代激光测高卫星,光子体制激光测高卫星具备更高的数据覆盖密度、测高精度。云气溶胶、吹雪效应引起的前向散射,对最终测高数据精度有较大的影响。而光子体制激光测高卫星大气探测算法与传统激光测高卫星有较大区别,聚焦光子体制激光测高卫星大气探测相关技术,主要梳理了云气溶胶传输系统、冰星2两颗光子体制卫星关于系统参数、大气探测技术、大气相关参数反演算法等方面内容,分析现有光子体制激光测高卫星在大气探测技术上面临的难点。关于光子体制卫星大气探测技术的调研分析,对我国光子计数激光雷达相关研究可起到一定的推动作用。