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一种星载激光测高仪光斑内定位方法

岳春宇 孙世君 何红艳

岳春宇, 孙世君, 何红艳. 一种星载激光测高仪光斑内定位方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
引用本文: 岳春宇, 孙世君, 何红艳. 一种星载激光测高仪光斑内定位方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
YUE Chunyu, SUN Shijun, HE Hongyan. A Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
Citation: YUE Chunyu, SUN Shijun, HE Hongyan. A Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125

一种星载激光测高仪光斑内定位方法

doi: 10.13203/j.whugis20170125
基金项目: 

国家自然科学基金 41401411

国家自然科学基金 41401410

高分对地观测专项基金 GFZX040136

国家重点研发计划地球观测与导航重点专项基金 2016YFB0500802

详细信息
    作者简介:

    岳春宇, 博士, 主要从事卫星摄影测量、遥感图像处理与应用研究。ycy1893@163.com

    通讯作者: 孙世君, 博士, 研究员。sunsj26@sina.com
  • 中图分类号: P236

A Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41401411

The National Natural Science Foundation of China 41401410

the High Resolution Earth Observation Special Fund GFZX040136

the National Key Technology Research and Development Program of the Earth Observation and Navigation Special Fund of China 2016YFB0500802

More Information
    Author Bio:

    YUE Chunyu, PhD, specializes in the theories and methods of satellite photogrammetry, remote sensing image processing and application. E-mail:ycy1893@163.com

    Corresponding author: SUN Shijun, PhD, professor. E-mail: sunsj26@sina.com
图(6) / 表(2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-07-14
  • 刊出日期:  2019-04-05

一种星载激光测高仪光斑内定位方法

doi: 10.13203/j.whugis20170125
    基金项目:

    国家自然科学基金 41401411

    国家自然科学基金 41401410

    高分对地观测专项基金 GFZX040136

    国家重点研发计划地球观测与导航重点专项基金 2016YFB0500802

    作者简介:

    岳春宇, 博士, 主要从事卫星摄影测量、遥感图像处理与应用研究。ycy1893@163.com

    通讯作者: 孙世君, 博士, 研究员。sunsj26@sina.com
  • 中图分类号: P236

摘要: 提出一种利用铅垂线轨迹法及高程结构信息约束的星载激光测高仪光斑内定位方法。在星载激光测高仪辅助立体摄影测量体制下,以激光回波中包含的高精度高程结构信息作为约束条件,在足印光斑内,配合立体图像匹配生成的数字高程模型,选取定位候选点,并通过铅垂线轨迹法优化定位候选点高程值,消除立体图像定位误差引起的高程误差,获取符合高程结构约束的一系列位置的三维坐标。试验结果表明,该方法能够实现大光斑星载激光测高仪足印内的定位,高程定位精度为0.16 m,平面定位精度与立体图像一致。

English Abstract

岳春宇, 孙世君, 何红艳. 一种星载激光测高仪光斑内定位方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
引用本文: 岳春宇, 孙世君, 何红艳. 一种星载激光测高仪光斑内定位方法[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
YUE Chunyu, SUN Shijun, HE Hongyan. A Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
Citation: YUE Chunyu, SUN Shijun, HE Hongyan. A Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2019, 44(4): 586-592. doi: 10.13203/j.whugis20170125
  • 星载激光对地观测是获取三维地理空间信息的重要主动遥感手段,通过激光测高技术,经过数据处理分析,获得地表高程数据,广泛应用于测绘、林业、海洋、国土资源与环境等领域[1-5]。在地形及形貌测绘应用方面,美国1994年的Clementine探月计划和1996年发射的火星全球勘探者号(Mars Global Surveyor, MGS)分别对月球和火星表面进行了激光形貌测图[6-8],2009年发射的月球轨道高度计(Lunar Orbiter Laser Altimeter,LOLA)第一次采用星载多波束激光测高体制测量月球表面形貌[9]。日本于2007年发射了“月亮女神号”卫星(Selenological and Engineering Explorer,SELENE),通过搭载的LALT(laser altimeter)激光测高系统实现了月球全球形貌测量[10]。中国也分别在2007年和2010年发射了“嫦娥一号”和“嫦娥二号”,使用激光高度计测量月球表面三维信息[11-13]。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)2003年发射的ICESat(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite)上的GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)是第一个对地球进行观测的星载激光测高系统[14]。而中国2016年发射的资源三号卫星星载激光测高仪是目前中国唯一在轨运行的对地激光观测系统[15]

    对地观测应用中,星载激光测高仪可以获取较高的高程精度,经过校正后平面精度可以达到10 m,但是无法获取观测足印内具体某点的三维坐标,限制了其在高分辨率对地观测中的应用[16]。星载激光观测数据一般通过配合立体图像联合空三平差,整体提高摄影测量定位精度[17-18]

    本文在星载激光测高仪辅助立体摄影测量体制下,以星载激光测高仪回波信号中较高精度的相对高程结构信息作为约束,通过铅垂线轨迹法(vertical line locus,VLL)[19]优化立体图像计算的高程精度,进而在激光光斑内得到一系列点的三维坐标,实现星载激光测高仪光斑内的高精度几何定位。

    • 铅垂线轨迹法(VLL)[19]是解析测图仪DSR-11中影像相关器使用的方法。在传统框幅式图像中心投影的情况下,空间中的铅垂线在图像中的投影也为一条直线。如图 1所示,O1O2为立体图像投影中心,地面点P平面位置不变,高程变化时形成的铅垂线l在立体图像中是两条同名直线l1l2。为了确定地面点P的高程,平面位置不动,高程值在铅垂线上移动为P1P2,则该点在立体图像中的投影在l1l2上移动,与P1PP2对应,分别为a1a2b1b2c1, c2。分别对这3点进行图像相关匹配,相关性最大的点即为真实地面点。

      图  1  铅垂线轨迹法

      Figure 1.  VLL Algorithm

      在线阵推扫多中心投影摄影测量中,对于通用几何模型,如主流的遥感图像产品几何模型有理函数模型(rational funtion model,RFM)等,VLL法思想同样可以应用。对于某一地面点,改变其高程值,并投影到立体图像中,得到一系列同名点对,分别对这些同名点进行图像相关计算,最终得到地面点真实高程值[20-21]。该方法可以消除由于姿态误差引起的前方交会定位误差。

    • 星载大光斑激光数据是以横轴为时间、纵轴为回波强度的波形数据。如图 2所示,回波信号是距离的观测值。

      图  2  大光斑激光测高回波信号示意图

      Figure 2.  Sketch Map of Large Footprint Laser Ranging Echo Waveform

      激光测高回波信号按时间顺序,高程值高的信号先被接收到。波形的峰代表光斑内主要的高程值,全波形表示光斑范围内的高程结构信息。波峰的数量及位置即光斑内的高程结构。波峰之间代表光斑内主要高程之间的高程差,精度较高,常被用来进行树高提取[1, 3, 5]

    • 本文利用铅垂线轨迹法及高程结构信息约束的星载激光测高仪光斑内定位方法如图 3所示。

      图  3  利用铅垂线轨迹法及高程结构信息约束的星载激光测高仪光斑内定位流程图

      Figure 3.  Flowchart of Positioning Method in Footprint of Space-Borne Laser Altimeter Based on VLL Algorithm and Elevation Structure Constraint

      利用铅垂线轨迹法及高程结构信息约束的星载激光测高仪光斑内定位方法流程如下。

      1) 在光斑波形数据中选取主要波峰,一般为2~3个,作为高程结构约束条件;

      2) 在光斑内由立体遥感图像匹配生成数字表面模型(digital surface model,DSM);

      3) 比较高程结构与DSM直方图,在DSM直方图中选择符合激光波形高程结构的峰值,作为高程参考值;

      4) 在DSM中选择高程值等于高程参考值的一系列纹理特征明显的点,作为定位候选点,在立体遥感图像中由VLL法优化定位候选点的高程值;

      5) 高程优化后,定位候选点的高程值相对差异符合高程结构约束条件的,则该候选点即为定位点,输出其三维坐标。

    • 本文采用GLAS对地观测回波波形数据GLAS01产品和Worldview-2立体遥感图像作为试验数据,对提出方法进行试验分析。GLAS01数据产品从美国国家冰雪数据中心(The National Snow and Ice Data Center,NSIDC)网站(http://nsidc.ors/data/icesat)下载获取。GLAS01数据每个波形表示的光斑直径约为70 m,相邻光斑距离约为170 m。Worldview-2立体遥感图像为全色0.5 m分辨率,平面和高程定位精度均优于1 m。

      本文激光回波波形试验数据集包括3个光斑,具体信息如图 4所示,圆圈代表光斑范围。由于光斑内有阶跃性地物时,容易出现明显的高程结构,所以本文试验所选的3个光斑均在包含规则建筑物的城市地区。试验数据1和3为楼房,试验数据2为带建筑物的院落,主要高程结构均为建筑物的高程差异。

      图  4  激光回波波形数据集

      Figure 4.  The Laser Echo Waveform Dataset

      GLAS数据与Worldview-2立体图像产品高程参考椭球不同,两个坐标系下高程差异在一个光斑内是系统性的,在波形数据上是纵轴上平移的一个常数[22]。由于本文仅利用GLAS数据波形峰值的相对位置,所以不涉及空间参考转换。

    • GLAS01数据中包含噪声信息,首先滤波处理去除噪声,提取真实信号峰值[23]。经试验,本文采用1×21,均值为0、方差为3的高斯滤波对试验数据集进行处理,获取的波形峰值比较稳定,结果如图 5所示,图中横坐标表示采样数,纵坐标为回波信号强度,单位为伏特(V)。

      图  5  波峰提取结果

      Figure 5.  Waveform Peaks

      通过分析波峰位置,根据GLAS01波形数据采样间隔为0.15 m,可以提取各组试验数据的高程结构,见表 1

      表 1  高程结构

      Table 1.  Elevation Structure

      序号 波峰数 高程峰值 高程差/m
      1 3 836 890 915 8.10, 3.75
      2 3 902 927 938 3.75, 1.65
      3 2 857 931 11.1

      波形中峰值数量和其表示的高程差共同构成了光斑内的高程结构。由于波形数据表示高程高低的顺序是按横轴坐标时间倒序排列,因此在约束DSM高程直方图时,要注意两者的坐标方向和顺序统一[24]

    • 在试验数据点集中每个光斑范围内,由Worldview-2立体遥感图采用密集匹配的方法,前方交会计算DSM,并生成DSM图像的高程直方图,如图 6所示。从图 6中可以得到,数据1的高程直方图中11.2 m、15.5 m、22.5 m 3个峰值符合激光波形提取的高程结构;数据2的高程直方图中21.6 m、24.2 m、26.9 m 3个峰值符合激光波形提取的高程结构;数据3的高程直方图中9.4 m、19.9 m两个峰值符合激光波形提取的高程结构。

      图  6  试验数据的高程直方图

      Figure 6.  Elevation Histograms of Experimental Data

      对每组数据,选取高程等于上述高程直方图峰值且纹理特征较明显的点,作为定位候选点。以高程峰值为基准,以0.1 m为间隔,由VLL法重新计算其高程值。

      结合图 4,数据1和数据2主要高程结构均为地面和若干建筑物,在地面和建筑物上分别选点;数据3主要高程结构为建筑的顶和地面,在地面和建筑顶分别选点。对选取的点在标准DSM数据中读取其真实高程值,作为精度评价标准。VLL法高程计算结果见表 2

      表 2  VLL法高程优化结果

      Table 2.  The Elevation Results After VLL

      试验数据 坐标 实际高程/m 原始计算高程/m VLL计算高程/m 高程差/m
      113.403 463 1°E, 23.165 345 7°N 11.5 11.2 11.4
      数据1 113.403 588 2°E, 23.165 483 5°N 15.2 15.5 15.1 3.7
      113.403 498 2°E, 23.165 884 1°N 23.3 22.5 23.1 8.0
      113.402 302 6°E, 23.172 927 5°N 21.0 21.6 21.2
      数据2 113.402 175 9°E, 23.172 845 6°N 24.7 24.2 24.9 3.7
      113.402 187 8°E, 23.173 238 1°N 26.5 26.9 26.4 1.5
      数据3 113.404 250 7°E, 23.160 405 0°N 8.4 9.4 8.6
      113.404 059 4°E, 23.160 418 7°N 19.5 19.9 19.6 11.0
    • 表 2试验结果中高程差项是定位候选点经过VLL法优化后高程值的差,结果与表 1中高程结构提取结果基本一致,最大相差为0.15 m,最小相差0.05 m,精度为0.1 m。说明所选定位候选点高程优化后结果符合§4.1中的高程结构信息,满足高程结构约束条件。各定位候选点VLL法计算得到的高程值与在标准DSM中读取的高程值之间最大相差0.2 m,最小相差0.1 m,全部8个定位候选点的高程定位精度为0.16 m,与GLAS数据的高程定位精度十分接近[1]。上述试验结果表明,本文方法可以实现高精度的星载激光测高仪定位,高程定位精度为0.16 m,平面定位精度与立体图像定位精度一致,优于1 m。

      图 5中,3组试验数据的高程结构明显,结合图 4中试验区域的图像可以看出,符合地形实际情况。而在图 6中由立体匹配生成的DSM图像直方图分布则峰值相对不清晰。这是由于密集匹配时,纹理不丰富区域如均匀平地与阴影地区会出现误匹配。这也是本文高程结构约束的意义,用激光回波波形中明显的高程结构来去除DSM直方图中弱高程信息及错误高程。数据1高程的3个峰值无论在激光回波波形还是DSM直方图中都比较明显,可以直接由峰值高程值确定定位候选点;数据2激光回波波形峰值明显,而DSM直方图中高程最高的峰则需要由高程结构信息来辅助确定;数据3激光回波波形峰值明显,而DSM直方图整体分布较均匀,地面点需要根据高程结构信息来判断。试验结果说明,在激光回波波形高程结构清楚的情况下,可以由高程结构约束对光斑中的点进行精确高程定位,再结合立体图像的平面位置进行平面定位,最终确定该点的三维坐标。且根据试验结果,上述3种情况定位精度一致。

      本文方法需要选取的光斑内有清晰的高程结构信息,且要与立体图像空间配准,否则在一维的激光回波波形与DSM直方图中无法确定是否为同一地区,出现计算错误。本文方法初始立体图像匹配前方交会计算得到的高程值与真实高程值相差最大为1 m,最小为0.3 m,精度为0.59 m。VLL法优化后高程精度为0.16 m,与直接立体匹配计算得到的高程精度提高了0.43 m。

    • 本文将星载大光斑激光测高数据回波信号中高精度的相对高程信息作为高程结构约束条件,在立体图像生成的DSM直方图中确定定位候选点的高程值,并由VLL法优化定位候选点的高程值,与高程结构信息比较,避免误匹配及立体图像定位误差引起的高程误差,结合立体图像的平面位置获得定位候选点的三维坐标。采用GLAS01激光测高回波波形数据与Worldview-2立体图像数据进行试验,证实本方法能够实现大光斑星载激光测高仪的高精度定位。

      经过试验分析,本文方法大光斑星载激光测高仪高程定位精度为0.16 m,平面定位精度与立体图像一致,优于1 m。但是本文方法需要激光数据与立体图像高精度空间配准,且只能根据波形峰值来选取定位候选点,无法根据波形数据直接获取光斑内任一位置的坐标。如何利用激光回波波形结构信息,在星载激光测高仪辅助立体摄影测量体制下,在光斑内任一位置高精度定位,提高摄影测量精度,还需要进一步研究。

参考文献 (24)

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