[發明專利]一種光子計數激光雷達數據地面高程反演方法

在審

• 申請號: 202111188873.6
• 申請日: 2021-10-12
• 公開（公告）號: CN114047494A
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 張國平;徐青;邢帥;李鵬程;王丹菂;張鑫磊;陳坤;吳立亭;戴莫凡;李輝;田綠林;郭松濤
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學
• 主分類號: G01S7/48
• 分類號: G01S7/48
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 史萌楊

本發明屬于光子計數激光雷達技術領域，具體涉及一種光子計數激光雷達數據地面高程反演方法。首先，獲取光子計數雷達的原始光子數據，提取原始光子數據中的噪聲光子，去除提取的噪聲光子以得到信號光子；然后，采用布料模擬方法從信號光子中提取出地面光子；最后，反演地面高程。經過實驗表明，本發明能夠有效提取信號光子，進而獲得不同土地覆蓋和地形條件下的高精度地面高程曲線，反演地面高程的平均誤差和均方根誤差均較低，反演精度角度，為利用光子計數激光雷達數據估算地面高程提供了一種有效的解決方案。

技術領域

本發明屬于光子計數激光雷達技術領域，具體涉及一種光子計數激光雷達數據地面高程反演方法。

背景技術

在地球環境前所未有的變化下，高精度的地形數據已經成為理解環境變化及其機制的前提。由于光探測和測距(LiDAR)可以直接獲取特定目標的三維(3d)信息，因此在地形測繪和植被研究中得到了廣泛應用。作為LiDAR最先進、最有潛力的應用之一，星載激光高度計可用于長周期、寬范圍的觀測，顯著提高了對環境的監測能力。

美國國家航空航天局于2003年1月發射的冰、云和陸地高度衛星是第一顆用于地球觀測的星載激光高度計。機載地球科學激光測高系統(GLAS)使用了532和1064納米激光，在其大約5年的任務期間獲得了豐富的數據，這些數據已廣泛用于地面高程檢索和植被高度監測。然而，大的激光足跡直徑(70米)和足跡間距(170米)限制了其在高分辨率研究中的應用。

新一代ICESat-2于2018年9月發射。高級地形激光測高儀系統(ATLAS)用532nm激光，足跡直徑僅為17米，足跡間距為0.7米。激光指數的顯著改進允許精確測量全球海拔和植被高度。然而，由于光子計數激光雷達的高靈敏度，容易受到外界環境的影響；太陽噪聲、大氣噪聲和儀器暗電流等因素可能會誤觸發事件。信號光子周圍存在許多隨機噪聲，這使得從原始數據中提取信號光子和檢索地面高程變得具有挑戰性。

目前，許多研究集中在建立工作流來去除噪聲光子，然后提取地面光子。提出的去噪算法可以分為基于直方圖的、基于圖像處理的和基于密度的算法。這三種類型的算法基于信號光子的空間分布比噪聲光子的空間分布更密集的假設。基于直方圖的算法的目的是粗略去除原始數據中的噪聲光子，減少后續步驟的計算量。由于該算法沒有考慮地形坡度的影響，因此峰值和山脊處的信號光子經常被忽略。為了解決這個問題，可通過使用數據高程的線性擬合結果來定義局部表面斜率，并計算受斜率影響的光子直方圖。基于圖像處理的算法通常需要將地圖光子數據轉換成二維(2-D)網格，然后將每個網格中的光子數量與圖像的灰度值進行比較。由于主要包含信號光子的網格和主要包含噪聲光子的網格之間存在顯著的灰度變化，因此可以使用Canny邊緣檢測或活動輪廓模型來精確提取信號網格。然而，隨著信噪比(SNR)的降低，網格之間的灰度差減小；因此，基于圖像處理的算法變得無效。此外，該算法的對象是網格，而不是光子，因此，在映射過程中消除了描述光子的能力。基于密度的算法通過計算每個光子的密度來去除噪聲；其性能主要取決于鄰域搜索空間的大小和密度閾值。然而，這些算法需要特定的抽象參數，如鄰域形狀和大小，才能獲得令人滿意的結果，這給缺乏經驗的用戶帶來了困難。此外，基于密度的算法必須遍歷每個光子的相鄰空間。密度的唯一目的是區分光子濃度的差異。計算結果的單一使用與高容量消耗不匹配，這限制了基于密度的算法處理長距離數據的能力。此外，ICESat-2科學團隊開發了差分、回歸和高斯自適應最近鄰(DRAGANN)濾波技術，為每個光子提供從0(噪聲)到4(高置信度信號)的信號置信度。為了避免信號光子的損失，信號置信度≥1的光子可以視為信號；結果中信號光子的數量通常大于信號光子的實際數量。