星载光子点云支持下的卫星影像区域网平差

以ICESat-2为代表的光子计数激光雷达对地观测手段具有地面足印小、采样频率高、波束数量多等特点，获取点云的平面精度和飞行方向数据密集程度得到很大提升，可作为一种新型三维控制条件以提高卫星影像定位精度。为解决光子点云没有同步影像记录平面位置的应用难题，提出一种星载光子计数激光点云支持下的卫星影像定位精度提升方法。首先采用三维地形剖面匹配方法实现对光子点云数据与卫星立体影像自动生成的数字表面模型（DSM）的精确配准；然后依据坡度变化从光子剖面点云中提取地形特征点，联合DSM多种地形特征生成共同地形特征控制点；最后将该地形特征控制点作为平高控制条件引入带附件参数的卫星影像区域网空中三角测量过程，以进一步提升定位精度。利用陕西省两个地区的ZY-3影像和ATLAS ATL03级数据进行实验，结果表明与完全无控定位方法和SRTM数据辅助定位方法相比，所提方法能够显著提高ZY-3影像平面和高程定位精度，提升幅度相对于SRTM数据分别可以达60%和34%左右，验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于随机森林的ICESat-2卫星数据地表覆盖分类

该研究将ICESat-2卫星激光测高数据作为地表覆盖分类的新数据源,提出了一种基于随机森林的ICESat-2卫星地表覆盖分类方法,探索了光子计数卫星激光测高在地表覆盖分类中的应用潜力。该方法采用光子数目、不同类型光子水平和垂直分布比例、信噪比、太阳条件、大气条件作为分类的输入,并在中国长三角地区开展了多类地表覆盖类型分类实验进行了验证。实验结果表明,ICESat-2卫星的强波束和弱波束的激光数据在水体、森林、低植被以及城市/裸地四类地表的总体分类精度均能达到优于85%;在水体、森林以及低植被/城市/裸地三类地表的总体分类精度能达到优于90%的水平。     

ICESat-2 ATL03数据预处理及校正方法

2018年9月15日,美国航空航天局成功发射了ICESat-2卫星,ICESat-2搭载了地形激光测高仪系统（ATLAS）,已经广泛应用于极地冰盖高程测量、海冰厚度估算、陆地高程测量、地表植被测量等多个研究领域。不同于GLAS/ICESat,ATLAS在信号探测系统中采用更为灵敏的单光子探测器,每秒发射10 000个脉冲（GLAS/ICESat系统每秒发射40个脉冲）,可以获取到重复频率更高、光斑更小的高密度光子计数回波数据,进而实现高精度全球观测。由于ATLAS采用的探测器光电倍增管（PMT）after-pulse的影响,在回波信号脉冲输出后常会出现小幅度脉冲干扰,不能准确反映原始信号波形,所以在实际应用过程中,必须对测量信号进行校正。首先基于ATL03产品,对光子计数回波数据进行预处理,获得了海冰、海洋、陆地和沙漠的廓线信息,结果显示在主信号回波之后均存在两个小的脉冲回波（约2.3 m和4.2 m处）,此外陆地和沙漠在10~45 m间存在一个更长时间延迟的脉冲回波,证实了不同反射表面均会受到PMT after-pulse影响。然后利用ICESat-2卫星过境撒哈拉沙漠地区的夜间观测数据,计算了不同波束下的脉冲响应函数,6个波束得到的脉冲响应函数整体形态相似,在主信号回波后出现三个不同幅度的脉冲回波（约2.3 m、4.2 m和6.5 m处）。最后利用6个波束的脉冲响应函数对同一海洋剖面进行校正,结果显示除ATLAS Beam2外,其余波束均可有效滤除主脉冲之后的小幅度脉冲,校正得到真实的水下回波信号。     

ICESat-2/ATLAS数据反演林下地形精度验证

针对星载激光雷达数据反演林下数字地面模型（Digital Terrain Model,DTM）存在困难的问题,研究了冰云陆地高程卫星-2 （Ice, Cloud, and land Elevation Satellite,ICESat-2）/先进地形激光高度计系统(Advanced Opographic Laser Altimeter System,ATLAS）的强弱光束数据反演林下地形的精度,并探究了冠层高度及植被覆盖率对于ICESat-2/ATLAS反演林下DTM精度的影响。研究结果表明:强波束反演林下DTM的精度为R2=1,RMSE=0.74 m,弱波束反演林下DTM的精度为R2=1,RMSE=0.76 m,强波束相对弱波束表现出更优的反演精度,但是,强光束与弱光束的光子云数据均可为反演林下DTM提供科学数据。从研究区植被的整体情况来看,随冠层高度及植被覆盖率的增加,不同激光类型数据均出现误差逐步增加的情况。     

多策略ATLAS数据优选与影像匹配相结合的SAR高程控制点提取

为了精化星载SAR影像几何参数并提高立体定位精度,借鉴星载激光测高数据光学遥感影像高程控制点提取思路,设计了一种多策略高级地形激光测高系统(ATLAS)数据优选与影像匹配相结合的SAR高程控制点提取方法。该方法采用非夜间观测光子滤除、高置信度光子选取、SRTM DEM辅助的粗差剔除、大偏心率椭圆滤波核平坦区域光子筛选等多种策略,从ATLAS数据ATL03级产品中提取高质量、平坦区域的激光高程点,再依据SRTM DEM对斜距SAR影像进行地理编码,按激光高程点的平面坐标选取局部谷歌地球影像作为足印影像,采用秩自相似描述子进行足印影像与SAR地理编码影像的匹配,得到与激光高程点对应的SAR影像像点坐标,从而提取SAR高程控制点。采用中国登封市、日本横须贺市两个区域的ATLAS数据进行了高分三号SAR高程控制点提取实验,利用提取的高程控制点进行SAR影像几何参数精化,大幅提升了立体定位精度,验证了该文高程控制点提取方法的可行性和有效性。      

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

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。     

ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法：首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算...     

星载光子计数激光测距雷达的实时去噪方法

星载光子计数体制激光测距雷达系统具有高重频、高精度等显著优势,但也面临原始数据量大且噪声数据占比过高的问题。为适应星上数据通道的传输能力,需压缩原始数据量并保障信号光子的查全率,因此必须发展以硬件为主体的实时去噪算法。本文提出一种粗精结合的快速去噪算法,首先基于激光器发射脉宽、系统噪声率、目标特性以及接收光子事件的局部密度信息进行粗去噪,剔除部分噪声光子;再利用直方图统计,对保留的光子事件进行精去噪,确定信号光子区间及最终的信号光子及其时间信息。通过蒙特卡洛仿真和ICESat-2实测数据对算法进行验证,测试结果表明,本算法查全率大于94%、查准率大于93%、调和平均值大于94%,运行效率提高了10%。算法可以实现光子事件的快速实时去噪,为星上硬件实时去噪处理提供了理论基础。     

星载单光子激光雷达海洋噪声模型

星载单光子激光雷达以超高灵敏度和超高重频的优势,在海洋探测领域展现了广泛的应用前景。雷达系统中的单光子探测器件具有极高的灵敏度,可以探测光子量级的回波信号,同时也极易受太阳背景光噪声影响。由于背景噪声直接影响激光雷达的工作性能,还会对星上原始的数据量产生影响,在卫星系统设计阶段,对噪声强度的准确估计至关重要。本文综合考虑大气后向散射、水面反射及水体后向散射的贡献,建立了一个星载单光子激光雷达海洋噪声的估计模型。以全球首个对地观测星载激光雷达ATLAS为例,在输入系统参数和环境参数后,模型估计的噪声与ATLAS实测噪声误差在15%以内,证实了该噪声模型的正确性。     

激光雷达测绘卫星发展及应用

星载激光测绘技术的迅猛发展对传统卫星对地观测领域带来了新的突破,高精度对地观测数据有利于提升整体几何精度、高效率数据处理特性有利于实现快速应用,因此激光测绘卫星数据获取、处理和应用成为研究热点。首先介绍了激光测绘卫星原理特点和发展现状,然后以目前在轨激光雷达卫星ICESat-2为例,分析了载荷配置特点、数据处理方法以及在影像联合精确定位、多源地形融合、全球植被测量、浅海水深测绘等多个领域的测绘应用情况,最后就我国下一步发展激光测绘卫星谈一些思考。     

ICESat Full-Waveform Altimetry Compared to Airborne Laser Scanning Altimetry Over The Netherlands

Since 2003, the full-waveform laser altimetry system onboard NASA's Ice, Cloud and land Elevation Satellite (ICESat) has acquired a worldwide elevation database. ICESat data are widely applied for change detection of ice sheet mass balance, forest structure estimation, and digital terrain model generation of remote areas. ICESat's measurements will be continued by a follow-up mission. To fully assess the application possibilities of the full-waveform products of these missions, this research analyzes the vertical accuracy of ICESat products over complex terrain with respect to land cover type. For remote areas, validation of individual laser shots is often beyond reach. For a country with extensive geo-infrastructure such as The Netherlands, excellent countrywide validation is possible. Therefore, the ICESat full-waveform product GLA01 and the land elevation product GLA14 are compared to data from the Dutch airborne laser altimetry archive Actual Height model of the Netherlands (AHN). For a total population of 3172 waveforms, differences between ICESat- and AHN-derived terrain heights are determined. The average differences are below 25 cm over bare land and urban areas. Over forests, differences are even smaller but with slightly larger standard deviations of about 60 cm. Moreover, a waveform-based feature height comparison resulted in feature height differences of 1.89 m over forest, 1.48 m over urban areas, and 29 cm over low vegetation. These results, in combination with the presented processing chain and individual waveform examples, show that state-of-the-art ICESat waveform processing is able to analyze waveforms at the individual shot level, particularly outside urban areas.     

Comparison of ICESat Data With Airborne Laser Altimeter Measurements Over Arctic Sea Ice

Surface elevation and roughness measurements from NASA's Ice, Cloud, and land Elevation Satellite (ICESat) are compared with high-resolution airborne laser altimeter measurements over the Arctic sea ice north of Alaska, which were taken during the March 2006 EOS Aqua Advanced Microwave Scanning Radiometer sea ice validation campaign. The comparison of the elevation measurements shows that they agree quite well with correlations of around 0.9 for individual shots and a bias of less than 2 cm. The differences are found to decrease quite rapidly when applying running means. The comparison of the roughness measurements show that there are significant differences between the two data sets, with ICESat generally having higher values. The roughness values are only moderately correlated on an individual-shot basis, but applying running means to the data significantly improves the correlations to as high as 0.9. For the conversion of the elevation measurements into snow-ice freeboard, ocean surface elevation estimates are made with the high-resolution laser altimeter data, as well as several methods using lower resolution ICESat data. Under optimum conditions, i.e., when leads that are larger than the ICESat footprint are present, the ICESat- and Airborne Topographic Mapper-derived freeboards are found to agree to within 2 cm. For other areas, ICESat tends to underestimate the freeboard by up to 9 cm.     

RADARSAT-2的关键技术及军民应用研究

RADARSAT-2合成孔径雷达提供新的操作模式将开启新的应用机遇。RADARSAT-2数据将用于全球环境和自然资源的监测、制图和管理,尤其是在海冰监测、制图、地质勘探、海事监测、救灾减灾和农林资源监测,以及地球上的一些脆弱生境的保护等。将讨论这些新的机遇和说明这些新的雷达模式的潜在应用。     

利用GLAS激光测高仪计算格陵兰冰盖高程变化

星载激光测高系统亚毫弧量级的发散角和冰层表面几乎没有穿透效应的优势使其非常适于监测南北极冰盖变化。利用GLAS激光测高卫星的高程数据,通过交叉和重复点方法分析2003~2009年3月格陵兰2 000 m以上区域冰盖高程变化,并改进了交叉点计算方法,使其适合纬度跨度较大的格陵兰地区。经过粗差剔除和时序解算,研究结果表明,该区域7年间冰盖高程年均变化+3.80 cm/年,中误差0.91 cm,呈缓慢增长趋势;交叉点和重复点方法所得结果趋势一致,重复点数量为交叉点数量的4~15倍,但位置分布不均匀,使用星载激光测高数据分析极地冰盖变化时,较大区域适合使用交叉点方法,较小区域适合使用重复点方法。     

基于遗传算法的星载激光全波形分解

全波形激光雷达的回波中包含着地物目标的垂直结构特征信息,传统的全波形数据处理方法在提取这些信息时过于依赖初始参数,导致地形复杂地区的数据可利用率低、准确率低。针对这一问题,提出了一种基于遗传算法的波形分解方法。改进后的处理算法无需提供精确的初始参数,用概率性传递规则代替确定性规则,具有全局寻优特点。并以高分七号卫星激光全波形数据进行试验。结果证明,基于改进后的波形处理方法拟合的回波波形与预处理后波形的相关系数在99%以上。文中对森林地区最大树高的反演与ICESat-2的ATL08产品中的森林冠层高度参数进行对比,两者相关系数为0.85,中误差为1.1 m,表明该方法可以较准确地提取复杂波形的特征信息。