星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光遙感【技術領域】，尤其是涉及星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法。本發(fā)明通過建立星載激光測高系統(tǒng)測量固體地表的距離精度和高程精度數(shù)學模型，設計了完整的測高系統(tǒng)精度快速檢測方法，并推導了具體實施過程中所涉及的回波能量計算方法和設計了地表目標參數(shù)計算方法。本發(fā)明不僅能夠檢測已知測高系統(tǒng)硬件參數(shù)和地表目標參數(shù)時的衛(wèi)星激光參考點與地表目標之間的測距精度，而且結合衛(wèi)星平臺姿態(tài)和位置數(shù)據(jù)可以檢測激光測高系統(tǒng)的平面和高程精度。這種平面和高程精度快速檢測方法對激光測高系統(tǒng)參數(shù)設計和精度評估有較高的參考意義。
【專利說明】星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，尤其是涉及一種星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法。
【背景技術】
[0002]星載激光測高系統(tǒng)是一種主動式測量系統(tǒng)，通過接收衛(wèi)星平臺激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)地表反射的微弱回波，精確計算激光脈沖在衛(wèi)星和地面之間的渡越時間，得到衛(wèi)星和地表的距離；結合衛(wèi)星精密軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，生成激光腳點精確地理位置和高程結果。通過衛(wèi)星連續(xù)運行，最終得到覆蓋地球表面DEM模型。
[0003]激光測高系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖能穿透植被獲取三維地形，具有傳統(tǒng)攝影測量方式無法取代的優(yōu)點；其激光發(fā)散角在亞毫弧量級，水平定位精度和分辨率遠遠高于微波雷達方式；位于大氣透過窗口的1064nm波長激光可以直接被冰蓋和海洋表面反射，幾乎沒有穿透效應，高程精度可達15cm。這些優(yōu)點使其廣泛用于南北極冰蓋變化監(jiān)測、極區(qū)附近海冰變化監(jiān)測、植被年際變化監(jiān)測，少量用于海洋環(huán)境監(jiān)測等領域；如果作為遙感影像的地面高程控制點，可以生成1:10000的大比例尺地形圖。
[0004]ICESat衛(wèi)星搭載的GLAS系統(tǒng)于2003年發(fā)射升空，在軌間斷運行7年，是目前為止唯一一顆用于全球地表觀測的星載激光測高系統(tǒng)。對地球觀測的GLAS系統(tǒng)的觀測成果不僅包含器件本身所帶來的誤差，也包含如光束穿越大氣產生的散射和折射等環(huán)境誤差，以及由地表斜率或粗糙度等引起的目標誤差。因此，建立測高系統(tǒng)測距精度模型，以及完整的激光腳點平面和高程精度快速檢測方法對激光測高系統(tǒng)參數(shù)設計、誤差分析和數(shù)據(jù)產品的有效性和準確性評估至關重要。
[0005]然而，目前已有測距精度模型較為復雜，還沒有全面分析器件、環(huán)境和目標對測距影響的簡化數(shù)學模型，GLAS的技術文檔中也沒有給出完整描述星載激光測高系統(tǒng)平面和高程精度的數(shù)學模型，而是直接列出影響數(shù)值大小。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0007]—種星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008]步驟1，根據(jù)測高系統(tǒng)硬件參數(shù)計算受器件影響的距離誤差ARn ;并設定大氣透過率Ta、目標表面反射率β r>以及其它測高系統(tǒng)參數(shù)如發(fā)射能量Q，接收望遠鏡面積K ；
[0009]步驟2，輸入地表目標高度模型數(shù)據(jù)，即沿Xd和Yd均勻采樣地表目標相對于XdOdYd平面的高度；篩選得到光斑直徑D范圍內的所有高程點(xn，yn，zn);使用LM算法擬合篩選后所有高程點(xn，yn，zn)的最接近平面，并計算平面法向量(％，&2，-1)，進而計算目標表面斜率S;并通過直接求解所有的Zn標準差得到篩選后的光斑內目標表面粗糙度Std(A ξ)；最后通過步驟I設定的參數(shù)計算回波光子數(shù)N ;這里，需要解釋一下篩選的目的，由于激光測高系統(tǒng)發(fā)射的激光脈沖照射到地球表面時呈近似圓形分布光斑，其光斑直徑為D，該原則是保留光斑內的高程點，因為光斑之外的點不對觀測造成影響，如果不剔除相當于混入了噪聲。
[0010]步驟3:使用步驟2得到的表面斜率S和粗糙度Std ( Λ ξ )，回波光子數(shù)N，并設定測高系統(tǒng)探測器噪聲系數(shù)F，以及光束指向角β，即天底方向與激光光軸夾角，計算目標影響導致的測距誤差ARpr、Λ Rps和ARpp;
[0011]步驟4:基于一個受環(huán)境影響的修正殘差值Λ Re，實際上環(huán)境誤差影響有幾米量級，而經(jīng)過大氣延遲修正和固體潮汐修正等通用算法修正后，剩余的環(huán)境殘差即Λ Re，通常為2-3cm;步驟I中得到的距離誤差Λ Rn，以及步驟3中得到的測距誤差Λ、、Λ Rps和ARpp,根據(jù)誤差合成理論,利用RSS方法(Root-Sum-Squares,平方和的根)計算由ARe'Δ Rn、Δ Re、Δ Rpr, Δ Rps和Λ Rpp組成的整體測距誤差Λ R ;其中，ARe通常取2-3cm ；
[0012]步驟5:根據(jù)系統(tǒng)進行正常測量工作時三個姿態(tài)角ω、φ和K ;測高系統(tǒng)偏航Δ ω、橫滾Λ φ和俯仰角誤差Λ κ ;指向角誤差Λ β ;三個方向GPS衛(wèi)星定位誤差ΛΧ。、
Λ Ztj;以及步驟5得出整體測距誤差AR;得到激光測高系統(tǒng)平面XY和高程Z方向精度。
[0013]本發(fā)明旨在簡化并完善針對固體地表的激光測距精度模型，建立完整的激光腳點平面和高程精度模型，用于快速檢測對地觀測星載激光測高系統(tǒng)的精度指標。并且，利用丹麥科技大學提供的高程精度和空間分辨率更高的機載Lidar數(shù)據(jù)評估美國ICESat衛(wèi)星GLAS星載激光測高系統(tǒng)實 測數(shù)據(jù)的高程偏差，用于驗證本發(fā)明方法的正確性和可行性。
[0014]在上述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，所述步驟I中，距離誤差Λ Rn是基于以下公式得到:
【權利要求】
1.一種星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1，根據(jù)測高系統(tǒng)硬件參數(shù)計算受器件影響的距離誤差ARn;并設定大氣透過率Ta、目標表面反射率βρ以及其它測高系統(tǒng)參數(shù)如發(fā)射能量Q，接收望遠鏡面積Ak ； 步驟2，輸入地表目標高度模型數(shù)據(jù)，即沿Xd和Yd均勻采樣地表目標相對于XdOdYd平面的高度；篩選得到光斑直徑D范圍內的所有高程點(xn，yn，zn);使用LM算法擬合篩選后所有高程點(xn，yn，zn)的最接近平面，并計算平面法向量(~&2，-1)，進而計算目標表面斜率S ;并通過直接求解所有的Zn標準差得到篩選后的光斑內目標表面粗糙度Std(A ξ);最后通過步驟I設定的參數(shù)計算回波光子數(shù)N ； 步驟3:使用步驟2得到的表面斜率S和粗糙度Std( △ ξ )，回波光子數(shù)N，并設定測高系統(tǒng)探測器噪聲系數(shù)F，以及光束指向角β，即天底方向與激光光軸夾角，計算目標影響導致的測距誤差Λ Rpr> Δ Rps和Λ Rpp ； 步驟4:基于一個受環(huán)境影響的修正殘差值ARe(是否需要稍微展開論述一下ΛΙΟ，步驟I中得到的距離誤差Λ Rn，以及步驟3中得到的測距誤差Λ、、Λ Rps和Λ Rpp，根據(jù)誤差合成理論，利用RSS方法(Root-Sum-Squares,平方和的根)計算由ARe、Δ Rn、Δ Rpr, Δ Rps和Λ Rpp組成的整體測距誤差Λ R ;其中，ARe通常取2_3cm ； 步驟5:根據(jù)系統(tǒng)進行正常測量工作時三個姿態(tài)角ω、φ和K ;測高系統(tǒng)偏航Λ ω、橫滾Λ φ和俯仰角誤差Λ κ ;指向角誤差Λ β ;三個方向GPS衛(wèi)星定位誤差Δ Z0 ；以及步驟5得出的整體測距誤差Λ R ;得到激光測高系統(tǒng)平面XY和高程Z方向精度。
2.根據(jù)權利要求1所述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，所述步驟I中，距離誤差ARn是基于以下公式得到:

3.根據(jù)權利要求1所述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，所述步驟2中，篩選光斑直徑D范圍內所有高程點(xn，yn，zn)是基于(x-XD)2+(x-XD)2 ( D2/4原則來進行，所述目標表面斜率S是基于以下公式得到:
4.根據(jù)權利要求1所述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，所述步驟3中，測距誤差Λ!?#、ARps和Λ Rpp，是基于以下公式得到:

5.根據(jù)權利要求1所述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，所述步驟4中，使用RSS方法計算整體測距誤差AR，即計算Λ Re、Λ Rn、Λ I?#、Δ Rps和Λ Rpp平方和的根，具體公式為:
6.根據(jù)權利要求1所述的星載激光測高系統(tǒng)固體地表目標平面和高程精度檢測方法，其特征在于，所述步驟5中，測高系統(tǒng)的平面精度和高程精度基于以下公式獲得: 平面精度的X方向基于以下公式:

【文檔編號】G01S17/08GK103926589SQ201410181514
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】馬躍, 李松, 陽凡林, 楊東清, 劉洪霞 申請人:山東科技大學