利用波形匹配实现卫星激光测高脚点精确定位的方法

激光测高仪分米量级的绝对高程精度可以满足地面高程控制点的需求,但其十几米甚至几十米的平面偏移使得其激光脚点仅能在平坦地表区域作为高程控制点使用。通过推导激光回波模型建立回波模型仿真器,综合考虑激光能量时空分布、地表轮廓、地表反射率等器件和目标参数的影响,对没有考虑地表反射率影响的现有波形匹配方法进行改进;进而,使用机载LiDAR点云数据和GLAS波形、能量数据,以仿真波形和真实波形相关系数最大原则进行波形匹配,寻找GLAS激光脚点中心坐标的精确位置。结果表明:在GLAS系统接收能量正常的工作周期内,波形匹配的平均相关系数大于0.9,通过波形匹配提高GLAS激光脚点的平面精度,能够实现约2 m的平面定位精度。研究方法能解决复杂地表条件下的激光高程控制点获取问题。     

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。     

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。     

高分七号卫星多源遥感数据精度优化与评估

高分七号卫星是国内首个亚米级双线阵立体成像卫星,同时配有两套激光测高仪和激光足印相机,可同期获取多源遥感数据。文中采用高分七号卫星获取的多源遥感数据进行平面和高程精度优化,利用激光测高数据对立体影像密集匹配的DSM进行偏度、中值、线性和二阶多项式模型和高程优化评估,利用足印影像对DOM进行一阶仿射变换方法和平面优化评估,并利用外业控制点对无控平面高程、激光高程优化、足印-激光平面高程优化、外业-激光平面高程优化等不同优化模型的结果进行精度评估。实验结果表明,利用激光测高数据可明显优化DSM高程精度,无控DSM高程误差平均值为?4.268 m,中误差为4.518 m,经过中值模型优化后的DSM高程误差平均值提升为?0.272 m,中误差提升为1.508 m,经过线性模型优化后的DSM高程误差平均值提升为?0.320 m,中误差提升为1.351 m;利用足印影像可改善DOM的平面精度,平面误差平均值从13.606 m提升到5.341 m,中误差从13.626 m提升到5.495 m。     

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。     

对地观测星载激光测高仪在轨姿态系统误差检校方法

星载激光测高仪通过接收经地表反射的微弱激光脉冲回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星位置和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果。对于高程精度10 cm量级的对地观测激光测高仪,必须对影响严重的姿态角系统误差进行标定和校正。文中推导得出星载激光测高仪姿态角误差与已知地表先验信息相关联的数学模型,设计了利用大洋表面作为地表标定场,通过卫星姿态机动方式,最小二乘估计算法校正卫星在轨系统误差的具体方法。仿真结果表明,所设计的方法能够准确估计存在的姿态系统误差,即使大规模观测值丢失,估计偏差也小于5%。这种在轨运行系统误差的标定方法对于对地观测星载激光测高仪的姿态误差检校具有参考意义。     

激光测高仪平顶高斯光束条件下的回波参数模型

星载激光测高仪通过提取激光回波参数计算卫星与地表的距离,结合轨道和姿态信息生成激光脚点的三维坐标。普通高斯光束的空间能量分布随光斑半径增加迅速衰减,不利于探测复杂和分层的地表目标,而平顶高斯光束可以克服这一缺点。根据平顶高斯光束和激光测高回波的相关理论推导得出平顶高斯激光模式下回波波形主要参数的解析式,并使用波形模拟器、波形处理算法,以及地球科学激光测高系统(GLAS)真实回波对所得理论模型进行了验证,结果显示不同阶数激光脉冲的对比偏差都小于3%,且随着目标斜率或阶数的增加,回波宽度和距离误差也随之增加,4阶平顶高斯光束目标斜率0.05时对应的距离误差超过10 cm。     

利用境内气象站观测数据的激光测高仪大气延迟改进算法

由大气层折射率分布不均匀引起的大气折射延迟是星载激光测高仪测距误差的主要来源之一,其主要受地表气压的影响。目前计算地表气压方法仅有美国GLAS系统使用的基于NCEP气象数据和时间空间的内插方法,GLAS系统观测相对平坦的南北极冰盖区域的精度足够,但观测地表起伏复杂的陆地目标的精度较低。文中利用国内气象站的观测数据,基于改进的反距离加权内插算法对大气折射延迟修正方法进行改进,并与传统GLAS方法的修正结果进行精度对比。在高原地区以及高纬度地区,采用国内气象数据和新的内插算法可以将修正残差由超过2 cm降低至小于0.5 cm,相对GLAS系统整体15 cm的测量精度,相当于整体精度提高10%,对于未来国产卫星激光测高仪测量精度的提高将有一定参考价值。     

激光测高卫星回波波形精细化模拟仿真方法研究

激光测高卫星的回波波形是其核心数据之一,回波波形的仿真分析对卫星指标论证及数据处理具有重要的参考价值。综合考虑地物反射率、发射波形和激光断面阵列(LPA)这3个因素对回波仿真结果的影响,并进行对比实验,探讨了最优的模拟仿真方法。实验中选择某研究区,以冰、云和陆地高程卫星(ICESat)/地球科学激光测高系统(GLAS)数据作为验证数据,通过相关系数对回波仿真精度进行评价。结果表明:在考虑实际地物反射率和发射波形后可以明显提高回波仿真的精度,仿真结果的相关系数从0.9337提高到0.9492;由于LPA的像素空间分辨率较低,故得到的仿真精度误差较大,通过3次样条插值提高像素分辨率后可使仿真精度提高到0.9513。     

星载激光测高仪海洋表面回波计算的理论模型

不同地表目标的模拟回波波形对测高仪系统参数设计具有重要意义,而海洋回波参数在Tsai之后很少被研究。根据菲涅耳衍射理论、海洋表面镜面反射性质以及海洋表面波高和斜率的统计规律,推导出与Tsai结果不同的近天顶方向入射时星载海洋测高仪探测器输出的回波解析表达式和回波总光子数;并用该推导结果建立了适用于激光测高仪亚毫弧度量级发散角的回波解析式。将模拟波形与地球科学激光测高系统(GLAS)真实海洋回波做对比,其能量、脉宽、振幅和形状都非常接近,误差均小于6%;分析得出海洋测高仪回波与测高系统参数和海平面上方平均风速有关,以GLAS参数为例,在风速大于12m/s的条件下将很难收到有效海洋回波。该结论对海洋激光测高仪的系统设计参数及海平面上方风速的反演提供了重要的理论依据。     

星载激光测高仪大气干项延迟校正

星载激光测高仪发射的激光脉冲在通过地球大气层时发生折射,导致激光路径的延长,为了获得高精度的测距结果,必须对大气延迟进行修正;而大气干项延迟在大气延迟中占主导作用,仅由测量位置的地表大气压力决定。通过推导静态大气在非理想气体条件下的流体静力学方程,得出地表气压与位势高度有关的大气压力模型,结合NCEP基于标准大气压层的气象数据和GLAS测量的时间经纬度和高程数据,对位势高度使用4阶Runge-Kutta算法进行数值积分得出地表气压,进而计算大气干项延迟。通过该方法和NCEP地表气压估计得出的干项延迟分别与GLAS官方公布的干项延迟对比,该方法计算结果的趋势与准确程度均占优,且最大干项延迟误差小于2 cm。证明通过流体静力学方程数值积分计算地表气压的方法能够得出对星载激光测高仪较为准确的大气干项延迟。     

椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响

光束空间分布是影响星载激光测高仪测距指标的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波分布特点,通过对椭圆高斯足印及线性目标的理论建模,基于接收脉冲回波信号时间重心及其方差的基本定义,构建了椭圆高斯足印对星载激光测高仪测距值及其误差的影响模型。以GLAS星载激光测高仪为输入条件,利用数值仿真分析的方法,针对倾斜度和粗糙度分别为（3,1.7 m）、（12.5,8.9 m）和（28.2,14.5 m）的三种典型观测目标,系统论述了椭圆高斯足印的椭圆率与方位角对测距值及其误差的影响规律。结果表明,激光测距值基本与椭圆高斯足印的椭圆率和方位角无关,其测距值余量最大值不超过1 mm,但是,激光测距误差会随着椭圆高斯足印的椭圆率和方位角的增加产生起伏变化,其测距误差余量最大值达到了47.04 cm。所得结论对于星载激光测高仪的硬件设计和性能评估具有一定实际应用价值。     

面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数仿真

面向星载激光测高仪的陆地目标响应函数的时间分布是评价星载激光测高仪使用性能的重要因素。根据星载激光测高仪发射的高斯激光束和目标响应函数的分布特点,采用等间隔同心圆环与等分圆周的方法实现目标的离散化三角网格划分,基于三角网格的均匀性与目标响应函数特征参数的误差模型,以目标响应函数的仿真误差指标为依据,提出一种全新的目标响应函数的时空域参数选取方法。以对地观测星载激光测高仪GLAS的系统参数为输入条件,针对三种典型倾斜度(3、12.5和28.5)的平面目标和多平面目标,通过限定目标响应函数特征参数的2%容限误差,仿真了对应的波形分布,并解算出其特征参数的最大误差不超过1.16%,有效验证了陆地目标响应函数仿真方法的正确性。所得结果对于星载激光测高仪接收脉冲回波的分析、数据反演及其性能评价具有一定的实际应用价值。     

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。