对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

卫星激光辅助光学影像立体测绘评估与分析

卫星激光辅助光学影像进行立体测绘是提高无控制测图精度的重要手段。针对美国ICEsat 1和我国高分七号、资源三号03星在轨激光测高载荷,本文从激光辅助光学影像提升高程精度的需求出发,采用激光与立体影像平高分离的区域网平差方法,对比和分析三颗卫星激光用于复合测绘的精度。试验选取天津同一地区的资源三号03星传感器校正立体影像和三颗卫星激光数据,利用15个外业检查点进行精度验证。试验结果显示,利用6～10个ICEsat 1、高分七号、资源三号03星激光点辅助光学立体影像平差后,立体影像定位高程精度分别由原始的464m提升到251m、24m、348m,充分表明,三颗卫星激光数据均可用于进一步提高立体影像高程精度,GF 7卫星激光辅助定位高程精度效果略优于ICEsat 1,ZY3 03星次之。     

基于地面红外探测器的星载激光测高仪在轨几何定标

高精度在轨几何定标是星载激光测高仪有效应用的基础,在参考国外冰、云和陆地高程卫星（Ice,cloud and land Elevation Satellite,ICESat）卫星搭载的地球科学激光测高系统（Geo-science Laser Altimeter System,GLAS）几何定标的基础上,提出了一种基于地面红外探测器的星载激光测高仪几何定标方法。采用资源三号02星上搭载的国内首台试验性对地观测激光测高仪的真实数据开展了实验验证。实验结果表明:地面红外探测器能有效捕捉到激光测高仪对地发射的激光信号,几何定标方法能有效消除指向角的系统误差项,标定后平面绝对精度可提高到15.0 m左右,而华北某地高精度地形数据验证表明其绝对高程精度可提高到1.09 m,少量点高程误差小于0.5 m。虽然精度水平离国外GLAS还有一定差距,但相关结论能为后续国产激光测高卫星的优化设计、数据处理与应用提供参考。     

国产立体测图卫星典型冰川区高精度DEM生产及质量对比EI北大核心CSCD

数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是开展青藏高原冰川研究的重要基础数据。随着国产立体测图卫星的快速发展,自主可控地获取青藏高原冰川区高精度DEM成为可能。该研究综合采用资源三号、高分七号卫星的立体影像和激光测高数据,分别生成冰川区域5 m和2 m格网的DEM,并选择岗钦及普若岗日等两处冰川为实验区,将国产卫星DEM与国外的AW3D、SRTM、TanDEM、HMA DEM等多种开源数字高程模型进行对比分析,并采用ICESat-2星载激光测高数据开展DEM绝对高程精度验证。结果表明:与中等空间分辨率的开源DEM相比,基于国产立体测图卫星影像生产的DEM高程精度更优,且格网更精细、更能详细描述冰川末端纹理特征;与高空间分辨率数据集HMA DEM对比高程精度,资源三号DEM略差、高分七号DEM更优,且在覆盖完整性方面国产卫星DEM均优于HMA DEM。综上所述,基于国产立体测图卫星可以实现冰川区高精度DEM的获取,能够为青藏高原冰川研究提供自主可控、精度可靠的地形参考数据。     

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。     

激光测高卫星大气散射延迟改正现状及展望

激光测高卫星可以在大范围内获得亚米甚至厘米级的地表高程信息,但不可避免受云、气溶胶等粒子引起的散射影响,其中前向散射引起的激光测距和最终测高误差不容忽视。文中系统梳理激光测高卫星大气散射误差改正技术,介绍了国内外卫星激光测高系统参数、大气探测及散射改正算法,有别于已有的蒙特卡洛模拟改正方法,提出了一种基于指数函数模型的大气散射改正算法,选择青海湖等区域的ICESat/GLAS开展试验,结果表明,光学厚度小于2时能有效提升受大气散射影响的数据精度,同时提升数据可利用率约9%,该算法更易于实现业务化应用。最后针对大气参数同步探测的必要性,结合星载大气参数探测设备对后续国产激光测高卫星大气散射改正提出了若干建议。     

资源三号03星激光测高数据处理与复合测绘应用

资源三号03星是自然资源部主持建造的用于1∶50 000立体测图的陆地遥感业务卫星,该星装备了业务化的激光测高仪,主要用于获取高精度高程控制点。论文针对资源三号03星激光测高数据,研究了标准化测绘处理流程和高程控制点提取方法,在内蒙古苏尼特右旗和江苏苏州开展了精度验证,并选择黑龙江和河北两个实验区开展了复合测绘应用验证。精度验证结果表明,资源三号03星激光点在内蒙古苏尼特右旗平坦区域高程精度为(0.051±0.232) m,在江苏苏州城市建成区的激光点总体精度为(0.414±6.213) m,经高程控制点提取和质量标记后的激光点高程误差为(?0.526±0.624) m,能满足1∶50 000测图高程控制需求。复合测绘应用表明,利用资源三号03星激光高程控制点,立体影像高程精度在黑龙江平坦地区能从5.27 m提高到2.58 m,河北太行山区能从11.25 m提高到4.45 m;无论是平地还是山区,资源三号03星激光高程控制点均能有效提高立体影像的高程精度并满足1∶50 000测图需求。     

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...     

高分七号星载激光测高仪在轨几何检校与精度评估

高分七号卫星（GaoFen-7, GF-7）搭载了我国首台正式用于对地观测的星载激光测高仪,其测高精度备受国内外关注。文中系统性介绍了基于地形匹配、单片足印影像以及地面探测器阵列的3种检校方法,并利用同一地区GF-7星载激光数据,分别进行不同检校试验与验证,对比和分析3种不同检校试验后GF-7星载激光测高仪的高程测量精度。结果表明,基于地面探测器阵列的检校方法精度最高。以高精度机载LiDAR点云作为地面验证数据,GF-7星载激光测高仪经检校后波束1精度达到0.177 m,波束2为0.157 m;受限于检校所用的参考数据精度不足,其他2种检校方法精度相对较低,测高精度达到0.8 m。     

Satellite laser altimetry of terrestrial topography: verticalaccuracy as a function of surface slope, roughness, and cloud cover

Analysis of the sensitivity of laser ranging errors to surface conditions indicates that predicted single-shot range errors are primarily dependent on surface slope. Range errors are less sensitive to variations in surface roughness or reflectivity. Values of total surface slope and roughness for nine terrestrial landforms, derived from digital elevation data at a 186 m length scale, vary from 2° to 40° and 0.8 to 15 m, respectively, at a 90% frequency of occurrence. This range of surface morphologies yields a variation in single shot laser ranging error from 0.4 to 8 m, assuming system parameters for the proposed Topographic Mapping Laser Altimeter (TMLA) and a nominal 30% surface reflectivity. The total elevation accuracy of data obtained via satellite laser altimetry, although dominated by the range error, is also a function of additional error sources, including orbit ephemeris, atmospheric, and calibration errors. Averaging of multiple laser measurements improves the vertical accuracy of the elevation data by statistical reduction of random errors. During a three-year mission, two to three laser measurements will be acquired, on average, for each 200-m footprint at low to moderate latitudes, accounting for the latitudinal variation of ground track spacing and cloud cover. For high-latitude regions, the narrow spacing of satellite ground tracks in a polar orbit will provide frequent repeat observations yielding, on average, 4 to 25 measurements of each footprint over the Antarctic and Greenland ice sheets. Averaging of these multiple repeat observations at high latitude will yield an improvement in vertical accuracy by a factor of two to five     

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。     

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。     

静轨光学卫星与自动识别系统的目标点迹关联与误差校正

静轨光学卫星对舰船目标监视时,由于探测距离较远存在较大的目标定位误差,影响后续目标跟踪的准确性。由于任务区域主要是海面,可能无法找到地面控制点(GCP)进行坐标校正。为了提高无控下静轨光学卫星对舰船目标的定位精度,同时实现多源数据的融合,该文提出一种基于船舶自动识别系统(AIS)数据的静轨光学卫星舰船目标点迹关联与误差校正方法。利用有理多项式系数(RPC)模型实现物方坐标到像方坐标的转换,通过迭代最近点(ICP)与全局最近邻(GNN)算法进行点迹关联,由关联点对实现误差校正。利用高分4号卫星图像与AIS数据进行了实验,实验结果表明该算法具有很高的关联正确率,同时极大提高了定位精度,基本可以满足实用性要求。     

Effective Reduction of Horizontal Error in Laser Scanning Information by Strip‐Wise Least Squares Adjustments

Though the airborne laser scanning (ALS) technique is becoming more popular in many applications, horizontal accuracy of points scanned by the ALS is not yet satisfactory when compared with the accuracy achieved for vertical positions. One of the major reasons is the drift that occurs in the inertial measurement unit (IMU) during the scanning. This paper presents an algorithm that adjusts for the error that is introduced mainly by the drift of the IMU that renders systematic differences between strips on the same area. For this, we set up an observation equation for strip‐wise adjustments and completed it with tie point and control point coordinates derived from the scanned strips and information from aerial photos. To effectively capture the tie points, we developed a set of procedures that constructs a digital surface model (DSM) with breaklines and then performed feature‐based matching on strips resulting in a set of reliable tie points. Solving the observation equations by the least squares method produced a set of affine transformation equations with 6 parameters that we used to transform the strips for adjusting the horizontal error. Experimental results after evaluation of the accuracy showed a root mean squared error (RMSE) of the adjusted strip points of 0.27 m, which is significant considering the RMSE before adjustment was 0.77 m.