一種基于回波全波形分解的地物特征獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)繪、攝影測(cè)量與遙感領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于回波全波形分解的 地物特征獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自上世紀(jì)70年代以來(lái)，衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)已經(jīng)得到迅速發(fā)展并取得了巨大的研究成 果。精確的測(cè)高任務(wù)已經(jīng)改變了人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)和觀測(cè)方式。而高精度的衛(wèi)星測(cè)高使 我們有能力并系統(tǒng)的進(jìn)行與其相關(guān)的各種科學(xué)研究。2003年1月13日，美國(guó)NASA發(fā)射 了 ICESat (Ice，Cloud and Land Elevation Satellite)，其上搭載了一個(gè)激光測(cè)高系統(tǒng) GLAS (Geoscience Laser Altimeter System)，到2009年止，已經(jīng)米集了密集的全球范圍高 精度高程數(shù)據(jù)，在陸地上主要應(yīng)用于測(cè)定全球地形，作為地形圖和數(shù)字高程模型的參考基 準(zhǔn)。然而城市區(qū)域特有的地物類型，導(dǎo)致傳統(tǒng)的全波形分解方法無(wú)法完整準(zhǔn)確的提取信息， 需要在城區(qū)星載激光測(cè)距雷達(dá)儀器設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，建立激光測(cè)距雷達(dá)的回波模擬模型， 并從波形數(shù)據(jù)中提取地物特征，進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種精度高、成本 低、適用范圍廣的基于回波全波形分解的地物特征獲取方法。
[0004] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種基于回波全波形分解的地物特征獲取方法，包括以下步驟：
[0006] 1)根據(jù)激光高度計(jì)的參數(shù)獲取激光高度計(jì)的激光發(fā)射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型；
[0007] 2)獲取目標(biāo)地物的三維地物模型以及激光高度計(jì)發(fā)射傳輸過(guò)程的數(shù)據(jù)誤差；
[0008] 3)根據(jù)三維地物模型以及激光發(fā)射信號(hào)模型并考慮激光高度計(jì)發(fā)射傳輸過(guò)程的 數(shù)據(jù)誤差，獲取激光發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)地物相互作用產(chǎn)生回波的數(shù)學(xué)模型；
[0009] 4)對(duì)激光發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)地物相互作用產(chǎn)生的回波采用非線性最小二乘高斯分 解算法進(jìn)行全波形分解，獲得分解后的高斯波；
[0010] 5)根據(jù)分解后的高斯波的波形獲取目標(biāo)地物的垂直高度，并估計(jì)激光高度計(jì)的實(shí) 際測(cè)量精度。
[0011] 所述的步驟1)中激光發(fā)射信號(hào)波形的數(shù)學(xué)模型為高斯函數(shù)：
[0013] 其中，pT(t)為高斯函數(shù)的峰值，taT為高斯函數(shù)的中心位置，s T為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) 差。
[0014] 所述的步驟2)中通過(guò)數(shù)字表面模型表示地表和地物表面的起伏和分布三維地物 模型。
[0015] 所述的步驟2)中數(shù)據(jù)誤差包括激光高度計(jì)發(fā)射和接收不平行造成的誤差、脈沖 信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差、震動(dòng)誤差、反光鏡的旋轉(zhuǎn)誤差、脈沖零點(diǎn)誤差、大氣中水分子、懸 浮物和大氣的折射、散射造成的測(cè)量誤差以及大氣溫度、濕度和氣壓變化造成的測(cè)量誤差。
[0016] 所述的步驟3)中激光發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)地物相互作用產(chǎn)生回波的數(shù)學(xué)模型為：
[0020] 其中，pR(t)為地物回波波形，pT(t)為發(fā)射脈沖功率，R 1為地物與激光高度計(jì)之間 的距離，R。為所有地物與激光高度計(jì)的近似距離，0 T為發(fā)射脈沖的波束寬度，p Jt)為地 物反射率，〇1為后向散射截面，ASil(t)為地物受到脈沖能量照射的面積，Q 1U)地物散射 立體角，Dr為接收天線孔徑直徑，n at"表示大氣對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憛?shù)，n sys表示硬件系統(tǒng) 對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憛?shù)，a、b為激光測(cè)距雷達(dá)激光光束的照射大腳印內(nèi)橢圓的長(zhǎng)半軸和短 半軸，Xpy 1*別為第i個(gè)地物的坐標(biāo)值，e i為激光測(cè)距雷達(dá)發(fā)射的脈沖能量呈橢圓高斯分 布引入的參數(shù)。
[0021] 所述的步驟4)中分解后的高斯波的波形數(shù)學(xué)模型為：
[0023] 其中，Np是回波中峰值個(gè)數(shù)，Ani是第m個(gè)峰值的大小，e是噪聲影響而產(chǎn)生的偏 差，k是峰值的位置，〇 "是第m個(gè)峰值的標(biāo)準(zhǔn)差。
[0024] 所述的步驟5)中估計(jì)激光測(cè)距雷達(dá)的實(shí)際測(cè)量精度估計(jì)方法為：
[0025] 采用分解后的高斯波的波形數(shù)學(xué)模型對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行波形擬合，并確定回波波形 的中心位置，估計(jì)精度RMSE的表達(dá)式為：
[0027] h = c*(t「t2)/2
[0028] 其中，h為通過(guò)回波波形擬合計(jì)算得到的地物的垂直高度，hMt為建模時(shí)設(shè)定的地 物垂直高度，即真值，n為仿真次數(shù)，c為光速，tdP 12為相鄰脈沖的時(shí)刻。
[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0030] -、精度高：通過(guò)仿真模擬城市不同地表目標(biāo)回波波形，對(duì)城市激光高度計(jì)的系統(tǒng) 設(shè)計(jì)參數(shù)提供重要的理論依據(jù)。
[0031] 二、成本低：激光系統(tǒng)和技術(shù)的開發(fā)費(fèi)用高昂，需要一個(gè)準(zhǔn)確的系統(tǒng)仿真模型來(lái)指 導(dǎo)工程實(shí)踐、降低費(fèi)用，并為數(shù)據(jù)處理、地物信息提取算法開發(fā)提供必要的模擬數(shù)據(jù)源。
[0032] 三、建立具有城市特征場(chǎng)景的模型。
[0033] 四、適用范圍廣：建立模型數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)各種目標(biāo)模型，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，不同的目 標(biāo)模型對(duì)應(yīng)的波形特征以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便用戶使用。
[0034] 五、回波數(shù)學(xué)模型考慮到了腳印內(nèi)里的脈沖能量從中間向外沿逐漸減弱這一特 性，即地物在腳印內(nèi)的位置不同，接收到的能量是不同的。
[0035] 六、利用回波數(shù)學(xué)模型模擬時(shí)，考慮到了大氣、硬件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，使?擬的回波信號(hào)更接近真實(shí)環(huán)境中的回波信號(hào)。
[0036] 七、精確描述、控制城市地物場(chǎng)景，模擬出回波波形，有利于分析地物面積位置等 微小變化是如何影響到激光回波信號(hào)的。
【附圖說(shuō)明】
[0037] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
[0038] 圖2為實(shí)施例1中地面反射率為0. 65時(shí)的波形圖。
[0039] 圖3為實(shí)施例1中地面反射率為0. 06時(shí)的波形圖。
[0040] 圖4為實(shí)施例2中地面反射率為0. 65時(shí)的波形圖。
[0041] 圖5為實(shí)施例2中地面反射率為0. 06時(shí)的波形圖。
[0042] 圖6為實(shí)施例3中地面反射率為0. 65時(shí)的波形圖。
[0043] 圖7為實(shí)施例3中地面反射率為0. 06時(shí)的波形圖。
[0044] 圖8為實(shí)施例4中地面反射率為0. 65時(shí)的波形圖。
[0045] 圖9為實(shí)施例4中地面反射率為0. 06時(shí)的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0047] 如圖1所示，本方法主要有以下三步組成：
[0048] 激光發(fā)射信號(hào)模擬
[0049] 激光測(cè)距雷達(dá)的發(fā)射波形可近似為半峰寬度（FWHM，F(xiàn)ull Width Half Magnitude)為8ns的高斯函數(shù)。
[0051] 其中，At是高斯函數(shù)的峰值，tCT是高斯函數(shù)的中心位置，s T是其標(biāo)準(zhǔn)差。
[0052] 信號(hào)傳輸過(guò)程會(huì)使測(cè)高數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。主要包括高度計(jì)發(fā)射和接受不平行，脈沖 信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差、震動(dòng)誤差、反光鏡的旋轉(zhuǎn)及脈沖零點(diǎn)誤差，儀器姿態(tài)誤差，大氣 中的水分子、懸浮物以及大氣的折射、散射等，將會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生偏差，另外激光脈沖的傳播 還受到大氣溫度、濕度和氣壓的影響。
[0053] 激光波束與典型特性地物目標(biāo)相互作用的數(shù)學(xué)模型
[0054] 不同地物目標(biāo)的模擬回波波形對(duì)測(cè)高儀系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要意義。激光測(cè)距 雷達(dá)可以精確記錄發(fā)射脈沖信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)出經(jīng)過(guò)光斑內(nèi)地表目標(biāo)的反射到接受器接收到 回波信號(hào)的時(shí)間，連續(xù)的記錄激光雷達(dá)回波構(gòu)成了回波波形。激光雷達(dá)回波方程如下式所 示：
[0059] 其中，pR(t)是地物回波波形，pT(t)是發(fā)射脈沖功率，R 1是地物與發(fā)射機(jī)之間的距 離，Rc為所有地與激光高度計(jì)的近似距離，0 T是發(fā)射脈沖的波束寬度，P Jt)是地物反射 率，〇 ,后向散射截面，A是地物受到脈沖能量照射的面積，Q dt)地物散射立體角，Dr是接 受天線孔徑直徑，natn表示大氣對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀琻 sys表示硬件系統(tǒng)對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀?a、b是腳印內(nèi)橢圓的長(zhǎng)半軸和短半軸，Xl、yi分別是地物i離腳印長(zhǎng)軸、短軸的垂直距離，即 在以腳印中心為原點(diǎn)，以橢圓短軸為X軸，以橢圓長(zhǎng)軸為y軸的坐標(biāo)系下，地物i的坐標(biāo)值。
[0060] 激光作為一種光源，其光束截面內(nèi)的光強(qiáng)分布是不均勾的，即光束波面上各點(diǎn)的 振幅是不相等的。參數(shù)E 1是考慮到脈沖能量從腳印中心向周圍逐漸衰減，呈橢圓高斯分 布而引入的。以上模擬回波波形的過(guò)程，是假設(shè)建筑物只有屋頂存在能量入射，側(cè)面沒有能 量入射。
[0061] 激光測(cè)距儀激光回波全波形分析算法
[0062] 衛(wèi)星激光測(cè)距雷達(dá)通過(guò)測(cè)定激光發(fā)射到地面的往返時(shí)間來(lái)確定其到地面的距離， 進(jìn)而精確測(cè)定地物的高度。為了精確測(cè)量距離，需要對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行波形擬合，精確確定回 波波形的中心位置。模型擬合可以估計(jì)平均表面高，脈沖振幅，脈沖寬度及信號(hào)噪聲。