关键词:
光子计数
星载激光雷达
误差分析
距离窗
噪声去除
交叉点
检校
条带平差
摘要:
星载激光雷达作为对地观测系统中新兴的信息获取与处理技术,是一种可直接获取地面目标三维坐标的主动式遥感监测手段,也是目前所有遥感探测手段中获取绝对高程精度最高的技术。2018年末美国发射的ICESat-2卫星上搭载了全球首颗星载多波束光子计数激光雷达系统ATLAS(Advanced Topographic Laser Altimeter System)。该系统在探测效率、测量精度和穿透能力等方面均展现了前所未有的性能,获取的光子数据已在冰冻圈、生态圈、岩石圈、水圈和大气圈等全球性系统研究中发挥了关键作用。
目前,我国已成功发射了多颗携带有线性体制激光雷达系统的卫星,对于采用光子计数的新体制星载激光雷达系统还处于研发和测试阶段。因此,本文着眼于未来国产新型星载激光雷达数据采集和质量控制需求,围绕星载多波束光子计数激光雷达数据处理与误差补偿方法展开研究,在光子点云误差数值分析、星上预处理、误差检校和联合平差等方面进行了理论探索与应用实践。论文主要研究内容与取得的成果如下:
(1)针对星载光子计数激光雷达探测新技术和数据新特性,研究了其先进的系统设计和数据处理理论。在概述星载光子计数激光雷达测量原理的基础上,对ICESat-2/ATLAS的系统配置、技术参数和数据特点进行了详细介绍。然后构建了光子坐标严密定位模型以及高精度解算流程,并重点对光子数据的误差因素进行了数值分析和总结,为后续数据处理和误差修正研究提供了理论基础。
(2)针对探测数据中噪声光子过多严重影响硬件存储和传输的问题,建立了一套光子点云星上预处理算法框架。首先通过足印指向定位模型和先验全球地形数据生成光子点云接收距离窗;然后基于光子空间分布密度差异实现了噪声光子的在轨压缩处理,并进一步利用置信度分级算法提取了潜在信号光子。通过使用全球不同区域的ICESat-2数据进行模拟验证,结果表明噪声光子的平均压缩率可达36.1倍,能够满足光子数据的在轨处理要求。
(3)针对光子数据高程性能存在不确定性的问题,提出了一种基于轨迹交叉点的误差评估和校正方法。首先依据光子计数激光雷达的高重频特性构建了适用于光子数据的交叉点计算方法;然后推导了用于估计光子数据高程系统误差的交叉点平差模型。通过结合ICESat-2实测数据进行验证,结果表明交叉点不符值能够有效映射光子数据高程误差的时空变化特征,不同波束光子数据高程系统误差的标准差为0.09m。所提方法在无需依赖外部参考数据的情况下,可全面评估长时序光子数据高程性能的稳定性。
(4)针对光子数据水平定位误差较大的问题,提出了采用交叉点匹配方法进行误差分析和校准。在深入分析水平误差校正方法理论的基础上,重点对交叉点匹配算法的理论模型进行了推导,并结合ICESat-2实测数据验证所提方法的有效性。试验结果表明ICESat-2的水平定位误差为4.62m至5.62m,校准水平误差后光子数据的高程精度得到进一步改善,约0.22m。所提方法为广域星载光子数据水平误差的精细校准提供了新的技术途径。
(5)针对多个光子条带数据间精度不一致的问题,探索了一种轨迹同名交叉特征约束的光子数据条带平差方法。首先构建了同名交叉点识别策略,对光子条带点云进行精确匹配;然后根据所需参数差异分别建立了传感器驱动和数据驱动两种条带平差模型。基于ICESat-2实测数据的验证试验表明:条带平差方法可提高光子数据的相对精度,不符值降低了约40%,结合外部参考数据也可同步改善绝对精度,幅度约为0.15m。所提方法为生成区域或全球精度一致的数据产品提供了技术参考。