卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法技术

本发明专利技术提供了一种卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，包括：选择质量合格的激光测高数据，对激光测高光斑中心进行几何定位；对全波形回波数据进行高斯子波形分解和整体拟合精确提取高斯子波形特征参数；利用高分辨率影像或数字表面模型(DSM)数据、高斯子波的半宽值参数，选取光斑范围内含有等高平面层的激光测高数据；建立等高平面层与其反射高斯子波的对应关系；利用分解得到的子波形特征参数中心位置时刻的精确距离对光斑中心进行定位，计算对应等高平面层的绝对高程；与高分辨率影像结合，制作遥感影像高程控制点。本发明专利技术将全波形大光斑激光测高数据用作遥感影像高程控制点的领域从平坦地形扩大到建筑区和其他含有等高平面层的区域。

The method of extracting the height control point of building area by satellite laser altimetry

The invention provides a method for extracting building area elevation control points by satellite laser altimetry, which includes: selecting qualified laser altimetry data, making geometric positioning for laser altimetry spot center; decomposing and overall fitting Gaussian sub waveform feature parameters for full waveform echo data; using high-resolution image or digital surface model (DSM) data The half width parameter of the Gaussian wavelet, the laser altimetry data with the equal height plane layer in the scope of the spot, the corresponding relationship between the equal height plane layer and the reflected Gaussian wavelet, the accurate distance of the center position of the characteristic parameter of the decomposed wavelet to locate the spot center and calculate the absolute elevation of the corresponding equal height plane layer, and the combination with the high-resolution image to make Remote sensing image elevation control point. The invention expands the field of using the full waveform large spot laser altimetry data as the elevation control point of remote sensing image from the flat terrain to the building area and other areas containing the equal height plane layer.

【技术实现步骤摘要】
卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法
本专利技术属于激光雷达领域，特别涉及到星载激光雷达数据辅助遥感影像摄影测量处理与应用技术，具体的说是涉及一种基于激光测高几何定位和全波形分解的卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法。
技术介绍
激光雷达与成像光谱、成像雷达并称为当今对地观测领域的三大前沿技术，国外一些发达国家在星载激光雷达测高领域起步较早，美国航空航天局(NASA)于2003年发射了搭载着地球科学激光测高系统(GLAS)的ICESat-1卫星，其测高精度为0.15m，获取了大量高精度的全球三维空间信息，但由于激光器故障，该星于2009年停止了数据采集工作[1]。为继续完成ICESat-1的科学任务，美国于2018年发射了搭载更为先进的高级地形激光测高系统(ATLAS)的ICESat-2卫星，ATLAS采用的微脉冲光子计数激光雷达计数是全球首次应用在星载平台上，光斑直径约为10m，光斑间间距约为0.7m，测高精度能达到0.1m[2]。国内激光雷达软硬件技术研制工作起步较晚，2016年我国成功发射资源三号02星，搭载国内首台对地观测的试验性激光测高载荷，但其不具备全波形记录功能。此外，作为我国高分辨率对地观测系统重大专项之一的高分七号卫星也已在整星测试阶段，该星具备精度优于1m的激光测高能力。利用激光测高数据提取建筑区高程控制点的关键技术涉及到滤波去噪和全波形分解等内容。GLAS滤波去噪方法主要包括高斯卷积滤波和小波去噪及其相关改进算法等，如赵欣等[3]采用高斯卷积滤波方法对原始回波信号进行去噪处理，将高斯核函数与原始回波信号进行卷积计算，通过改变高斯核函数半宽值来调整回波信号的平滑程度。邱赛等[4]采用小波去噪方法对ICESat/GLAS波形进行处理，其基本思想是通过小波分解后，近似信号的小波系数较大，而噪声的小波系数较小，选取一个合适的阈值，将小于阈值的信号当作噪声置为零从而达到去噪的目的。最具代表性的波形分解方法是高斯分解方法，激光雷达发射脉冲常认为符合高斯分布，假设单个地物目标回波也符合高斯分布，高斯分解的实质是将原始回波信号分解为多个高斯子波叠加。国外，Hoffton[5]提出经典的高斯分解算法，通过相邻奇偶拐点确定高斯子波。国内，王成等[6]采用二阶偏导数求取拐点解算高斯子波的中心位置、振幅和半宽，并对最大振幅处的高斯子波峰值位置和半宽作出调整，来削弱由于饱和和前向散射使波形曲线扭曲的影响。另外，由于地物结构的复杂程度，也有学者认为回波信号有时不符合高斯分布，由于不同目标的空间尺度不一样，采用不同尺度的小波基函数进行小波分析，得到不同尺度下的高斯小波基对于回波波形的逼近强度，通过逼近强度进而得到回波波形的峰值信息,如杨学博等[7]提出了一种基于小波变换的高斯递进波形分解方法，可以有效从叠加波中检测出目标组分。星载激光雷达具有运行轨道高、观测范围广以及测高精度高等特点，可为全球不同地区提供高精度的三维空间信息，在全球高程测量、林业资源调查和极地冰川监测等领域得到了广泛的应用。李建成等[8]利用GLAS激光测高数据生成了精度较高的南极冰盖DEM；李国元等[9]提出一种多准则约束的高程控制点筛选算法，综合利用SRTMDEM进行粗差剔除并根据测距相关属性参数精细筛选，筛选出的激光测高点能达到1:50000立体测图精度；同时，LI等[10]将ICESat/GLAS激光足印点作为高程控制点与资源三号立体影像进行联合平差，结果表明可将影像的无地面控制点高程精度提高到3.0m。目前，大光斑激光测高数据辅助遥感影像摄影测量主要使用平坦地形区域，非平坦地形、建筑区使用激光测高数据作为高程控制点辅助摄影测量的应用成果非常稀少。由于激光足印面积较大，平面定位精度较低，且原始回波信号反映的是光斑内多个地物目标反射信号综合叠加的效果，难以直接提取光斑内的精确高程值，使得激光测高数据在城市等结构复杂地区的应用和作为高程控制点辅助遥感影像摄影测量受到很大的制约，目前还没有利用激光测高全波形分解方法来提取建筑区高程控制点的相关成果。本专利技术利用一种渐进剥离与整体拟合的全波形分解方法精确提取回波特征参数，以准确表征建筑区建筑垂直结构，结合卫星几何定位、卫星位置和姿态以及测距相关参数，高精度提取光斑区等高平面层的高程值，联合等高平面层影像的特征点，作高程控制点使用。参考文献：[1]杨帆,温家宏.ICESat与ICESat-2应用进展与展望[J].极地究,2011,23(2):138-148.[2]夏少波,王成,习晓环,等.ICESat-2机载试验点云滤波及植被高度反演[J].遥感学报,2014,18(6):1199-1207.[3]赵欣,张毅,张黎明,等.激光测高仪高斯回波分解方法[J].红外与激光工程,2012,41(3):643-649.[4]邱赛,邢艳秋,李立存,等.基于小波变换的ICESAT-GLAS波形处理[J].森林工程,2012,28(5):33-35.[5]HOFTONMA,MINSTERJB,BLAIRJB.Decompositionoflaseraltimet-erwaveforms[J].IEEETransactionsonGeoscience&RemoteSensing,2000,38(4):1989-1996.[6]王成,习晓环,骆社周,等.星载激光雷达数据处理与应用[M].北京:科学出版社,2015.[7]杨学博,王成,习晓环,等.大光斑LiDAR全波形数据小波变换的高斯递进分解[J].红外与毫米波学报,2017,36(6):749-756.[8]李建成,范春波,褚永海,等.ICESAT卫星确定南极冰盖高程模型研究[J].武汉大学学报·信息科学版,2008,33(3):226–228.[9]李国元,唐新明,张重阳,等.多准则约束的ICESat/GLAS高程控制点筛选[J].遥感学报,2017,21(1):96–104.[10]LIGY,TANGXM,GAOXM,etal.ZY-3BlockAdjustmentSupportedbyGLASLaserAltimetryData[J].ThePhotogrammetricRecord,2016,31(153):88-107.
技术实现思路
本专利技术针对大光斑卫星激光测高数据在建筑区高分影像几何定位中难以发挥作用的难题，提出一种基于激光测高全波形分解与子波形几何定位的卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，扩大卫星激光测高辅助影像摄影测量的应用范围。本专利技术利用高分辨率遥感影像或DSM数据，发现光斑区包含等高平面层的质量合格的激光测高数据，通过几何定位、波形分解和波形拟合获取特征高程层反射的高斯子波，并利用子波形中心时间参数计算对应等高平面层的高程，联合高分辨率遥感影像实现建筑区高程控制点的提取。本专利技术采用计算机和人工辅助的方式，主要包括以下内容：(1)根据本专利技术实施例的一方面，提供了质量合格激光测高数据的选取、以及利用全波形激光测高数据提取建筑区遥感影像本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，包括以下步骤实现：/n(1)对测区内激光测高数据质量进行判断，选择质量合格的激光测高数据，利用回波波形峰值时刻计算对应的精确距离，利用波束发射时的卫星位置和测高仪姿态对激光光斑中心进行几何定位；/n(2)对激光测高原始回波信号进行预处理和滤波去噪处理，对处理后的波形通过波形分解提取高斯子波形，并通过整体拟合来精化各高斯子波精确的特征参数，包括振幅、中心位置和半宽值；/n(3)利用高分辨率正射影像或数字表面模型(DSM)数据、以及高斯子波的半宽值参数，选择光斑区内包含等高平面层的激光测高数据；/n(4)利用高分辨率正射影像或DSM数据、以及高斯子波形的半宽值参数，建立等高平面层与高斯子波形的对应关系；/n(5)根据提取的光斑区内等高平面层对应的高斯子波形中心位置时刻计算等高平面层到卫星的精确距离，根据该距离按激光测高定位原理和方法对光斑中心进行几何定位，通过坐标转换得到光斑中心位置的高程值即为该等高平面层的绝对高程值；/n(6)结合等高平面层高分辨率影像的特征点和等高平面层的高程值，制作用于遥感影像几何定位的高程控制点。/n

【技术特征摘要】
1.一种卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，包括以下步骤实现：
(1)对测区内激光测高数据质量进行判断，选择质量合格的激光测高数据，利用回波波形峰值时刻计算对应的精确距离，利用波束发射时的卫星位置和测高仪姿态对激光光斑中心进行几何定位；
(2)对激光测高原始回波信号进行预处理和滤波去噪处理，对处理后的波形通过波形分解提取高斯子波形，并通过整体拟合来精化各高斯子波精确的特征参数，包括振幅、中心位置和半宽值；
(3)利用高分辨率正射影像或数字表面模型(DSM)数据、以及高斯子波的半宽值参数，选择光斑区内包含等高平面层的激光测高数据；
(4)利用高分辨率正射影像或DSM数据、以及高斯子波形的半宽值参数，建立等高平面层与高斯子波形的对应关系；
(5)根据提取的光斑区内等高平面层对应的高斯子波形中心位置时刻计算等高平面层到卫星的精确距离，根据该距离按激光测高定位原理和方法对光斑中心进行几何定位，通过坐标转换得到光斑中心位置的高程值即为该等高平面层的绝对高程值；
(6)结合等高平面层高分辨率影像的特征点和等高平面层的高程值，制作用于遥感影像几何定位的高程控制点。


2.根据权利要求1所述的卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，其特征在于，所述步骤(1)中，激光测高数据质量判断方法根据回波数据的有效性、卫星测高发射波束时测量得到的卫星位置测量质量、姿态测量质量、云量、反射率、以及地面目标的激光测量高度与外部DSM高程偏离度参数是否满足激光测高要求等条件进行判断。


3.根据权利要求1所述的卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，其特征在于：所述步骤(1)和(5)中，接受回波处理后的波形或高斯子波形峰值时刻对应精确距离和光斑中心的定位，根据波束往返卫星和目标的时间、光速计算初始距离，经系统误差、大气延迟、潮汐改正获取精确距离，并利用激光发射时刻卫星的位置、测高仪姿态和高精度几何定标参数，计算光斑中心的位置坐标，实现光斑中心的精确定位。


4.根据权利要求1所述的卫星激光测高提取建筑区高程控制点方法，其特征在于：所述步骤(2)中，提取高斯子波形采用渐进剥离与整体拟合分解方法实现，包括下列步骤：
S1：首先对激光测高原始回波信号进行预处理和滤波去噪处理：根据处理后波形的最大值及其位置，确定第一个高斯子波的振幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：程春泉，谭建伟，杨书成，黄国满，
申请(专利权)人：中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11