一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方法，該方法據(jù)具體步驟如下：(1)計算回波反射率，然后剔除反射率過低的激光回波數(shù)據(jù)；(2)由足印相機影像識別云層位置剔除云層反射的激光回波數(shù)據(jù)；(3)在輔助數(shù)據(jù)的支撐下，由測高儀回波數(shù)據(jù)生成廣義高程控制點；(4)使用參照DEM數(shù)據(jù)輔助剔除測高數(shù)據(jù)中的粗差；(5)將測高數(shù)據(jù)代入立體影像，作為高程控制點輔助進行弱交會條件下的區(qū)域網(wǎng)平差，在迭代過不斷剔除高程差異最大的點直到平差結(jié)果收斂。通過本方法可得到高程控制點數(shù)據(jù)，提高全球地形數(shù)據(jù)生產(chǎn)精度。由于本發(fā)明結(jié)合多種數(shù)據(jù)進行粗差剔除，避免了單一參考源下的低精度問題，具有魯棒性好、精度高的特點。
【專利說明】
一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于遙感對地觀測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗 差剔除方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于激光在傳輸路徑上受到氣溶膠的影響、波形分解與廣義高程控制點生產(chǎn)過程 中的誤差，由星載激光測高儀獲得的廣義高程控制點存在部分粗差。作為立體測圖衛(wèi)星的 高程控制點來源，星載激光測高儀所含的粗差會對立體測圖衛(wèi)星的雙線陣圖像的平差精度 具有較大影響，亟需研究一種能夠高效、可靠的粗差剔除手段，剔除星載激光測高儀測高數(shù) 據(jù)集中含有粗差的高程控制點。
[0003] 現(xiàn)有方法一種是廣義最小二乘迭代，把粗差歸入函數(shù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)最小二 乘原理用迭代估計算法發(fā)現(xiàn)和剔除觀測值中的粗差，并求得未知參數(shù)最佳估值;另一種方 法是使用一定的準則（如狄克松準則、萊特準則等)判斷小樣本的粗差數(shù)據(jù)。然而由于星載 激光測高儀數(shù)據(jù)的密度較低、無法構(gòu)成面狀點集，且各個數(shù)據(jù)之間不存在空間關(guān)聯(lián)性。導致 現(xiàn)有的粗差剔除算法無法有效應用于星載激光測高儀數(shù)據(jù)的粗差剔除中。而含有粗差的數(shù) 據(jù)會給國產(chǎn)立體測圖衛(wèi)星的雙線陣圖像高程平差帶來較大的影響，可能導致測圖無法滿足 1:1萬的精度需求。
[0004] 由于激光測高儀生成的高程數(shù)據(jù)具有較高的精度，能夠輔助其他傳感器的得到的 立體影像進行高精度地形生成應用；另一個方面，使用多時間觀測得到的密集高程控制點 能夠提高制圖精度。因此在實際生產(chǎn)應用中，激光測高儀得到的廣義高程控制點數(shù)據(jù)也能 夠應用于其他的立體影像的數(shù)據(jù)生成中。然而由于地形可能發(fā)生變化，非同一時間獲取的 激光測高廣義高程控制點與立體影像的部分位置的高程已經(jīng)發(fā)生了改變，需要剔除這一部 分發(fā)生改變的位置。
[0005] 本發(fā)明提供了一種有效適用于激光測高儀高程數(shù)據(jù)的粗差剔除技術(shù)。在多種輔助 數(shù)據(jù)的支持下，通過多階段的粗差剔除手段，有針對性地剔除由于氣溶膠、控制點生成誤 差、地形變化等導致的高程測量粗差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的問題是:提供一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方 法。
[0007] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案采用如下步驟：
[0008] (1)由測高儀回波計算反射率，剔除反射率異常的回波數(shù)據(jù)，剔除反射率異?；夭?的步驟如下：
[0009] (1-1)根據(jù)星載激光測高儀的波形定標數(shù)據(jù)，由DN值得到波形所對應的能量值J; [0010] (1-2)對回波數(shù)據(jù)進行大氣改正，并利用激光的出射能量JQ和大氣氣溶膠含量，計 算回波的反射率。
[0011] (1-3)考慮到對于星載全波形數(shù)據(jù)，由于其根據(jù)星上DEM控制記錄開始與結(jié)束的時 間。如果DEM誤差較大時，有可能記錄的只是大氣的回波。而由于大氣回波的能量較小，其算 出的反射率也會較小。所以在得到反射率數(shù)據(jù)后，剔除反射率低于0.01的回波數(shù)據(jù)即可剔 除雜波。
[0012] (2)由于云層遮擋時激光在云層上反射導致測量結(jié)果是云層的高度而不是所需的 地面高程，因此本發(fā)明根據(jù)星上相機拍攝的影像，剔除云層遮擋下的回波數(shù)據(jù)。剔除云層回 波的具體步驟如下：
[0013] (2-1)使用參照的影像和足印相機、或者其它星上相機拍攝的圖像，使用多光譜影 像氣溶膠厚度的檢測與提取方法，計算得到氣溶膠的厚度，得到氣溶膠分布圖；
[0014] (2-2)根據(jù)激光足印點的地理坐標，得到其在氣溶膠分布圖上的位置，將云層厚 度，即氣溶膠厚度，大于1的像元對應的回波數(shù)據(jù)剔除。
[0015] (3)在輔助數(shù)據(jù)的支撐下，由測高儀回波數(shù)據(jù)生成廣義高程控制點，具體步驟如 下：
[0016] (3-1)將立體相機影像與大光斑激光雷達同軸的足印相機影像進行配準，得到激 光的指向信息；
[0017] (3-2)根據(jù)雙線陣立體相機獲取密集高程點云數(shù)據(jù)；
[0018] (3-3)通過對在足印內(nèi)的點云數(shù)據(jù)按高程進行分類，得到光斑內(nèi)不同高程地物類 別數(shù)目；
[0019] (3-4)通過類別數(shù)目指導進行大光斑激光雷達波形分解，通過波形分解得到每一 高程類別地物準確的高程信息；
[0020] (3-5)通過點云計算每個高程類別信息高程的標準差，取標準差最小的一類作為 參考提取廣義高程控制點。
[0021] (4)在DEM數(shù)據(jù)的支持下，剔除含誤差的廣義高程控制點數(shù)據(jù)集中的誤差，具體步 驟如下：
[0022] (4-1)計算各局部區(qū)域激光測高儀的高程數(shù)據(jù)與參照DEM的高程之間的相關(guān)系數(shù)；
[0023] (4-2)以擬合系數(shù)改正參照DEM的高程值；
[0024] (4-3)用改正后的參照DEM高程值改正激光測高儀的高程數(shù)據(jù)；
[0025] (4-4)判斷廣義高程控制點的高程值與改正后DEM值之間的差值，若差值超過一定 的閾值，則認為廣義高程控制點存在粗差，進行剔除。
[0026] (5)將廣義高程控制點代入雙線陣或三線陣圖像進行立體區(qū)域網(wǎng)平差，根據(jù)平差 的收斂性舍棄含粗差的廣義高程控制點。具體步驟為：
[0027] (5-1)將廣義高程控制點數(shù)據(jù)代入雙線陣或三線陣立體像對中，作為高程控制點 輔助進行弱交會條件下的平面區(qū)域網(wǎng)平差；
[0028] 由于存在較大誤差的點參與構(gòu)網(wǎng)時會出現(xiàn)不收斂性，因此通過對各個控制點參與 構(gòu)網(wǎng)時平差是否收斂即可判斷。
[0029] (5-2)在迭代過不斷剔除高程差異最大的點，直到平差結(jié)果收斂。
[0030] 通過參與構(gòu)網(wǎng)的好處在于，不同的立體相對成像條件、時間都有所區(qū)別，控制點集 中適用于該影像的點都有所區(qū)別，使用該方法能夠找到每一個立體影像最合適的控制點， 使得最終的結(jié)果精度最優(yōu)。
[0031 ]本發(fā)明具有$父尚適用性，可有效剔除稀疏的尚程控制點集中的粗差，提尚數(shù)據(jù)集 的適應性。滿足星載激光器控制點粗差剔除這一業(yè)務需求，并能夠應用到其他類似的星載 設(shè)備的檢校當中。
【附圖說明】
[0032] 圖1是多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方法流程圖。
[0033] 圖2是輔助數(shù)據(jù)支持的足印相機云層厚度識別算法流程圖。
[0034]圖3是DEM輔助下的粗差剔除方法流程圖。
【具體實施方式】
[0035] 為更好地闡述本發(fā)明的技術(shù)方案和優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施過程做 進一步的描述。
[0036] 本發(fā)明的第一步由測高儀回波計算反射率，剔除反射率異常的回波數(shù)據(jù)根據(jù)星載 激光測高儀的波形定標數(shù)據(jù)，由DN值得到波形所對應的能量值J:
[0037] J = a*DN+b
[0038] 式中，a，b為輻射定標的系數(shù)。對回波數(shù)據(jù)進行大氣改正，并利用激光的出射能量 Jo和大氣氣溶膠含量，計算回波的反射率：
[0039] f=((J-JT)/D/J〇T
[0040] 在得到反射率數(shù)據(jù)后，剔除反射率低于0.01的回波數(shù)據(jù)即可剔除雜波。
[0041] 本發(fā)明的第二步為根據(jù)星上相機拍攝的影像，剔除云層遮擋下的回波數(shù)據(jù)，首先 用參照的影像和足印相機、或者其它星上相機拍攝的圖像，使用多光譜影像氣溶膠厚度的 檢測與提取方法，計算得到氣溶膠的厚度，得到氣溶膠分布圖。然后根據(jù)激光足印點的地理 坐標，得到其在氣溶膠分布圖上的位置，將云層厚度(氣溶膠厚度)大于1的像元對應的回波 數(shù)據(jù)剔除；
[0042] 本發(fā)明的第三步在輔助數(shù)據(jù)的支撐下，由測高儀回波數(shù)據(jù)生成廣義高程控制點， 首先將立體相機影像與大光斑激光雷達同軸的足印相機影像進行配準，得到激光的指向信 息;然后根據(jù)雙線陣立體相機獲取密集高程點云數(shù)據(jù)，將足印內(nèi)的點云數(shù)據(jù)按高程進行分 類，得到光斑內(nèi)不同高程地物類別數(shù)目；通過類別數(shù)目指導進行大光斑激光雷達波形分解， 通過波形分解得到每一高程類別地物準確的高程信息。通過點云計算每個高程類別信息高 程的標準差，取標準差最小的一類作為參考提取廣義高程控制點。
[0043]本發(fā)明的第四步在DEM數(shù)據(jù)的支持下，剔除含誤差的廣義高程控制點數(shù)據(jù)集中的 誤差，其流程如圖3所示。首先計算各局部區(qū)域激光測高儀的高程數(shù)據(jù)與參照DEM的高程之 間的相關(guān)系數(shù)，以擬合系數(shù)改正參照DEM的高程值;然后用改正后的參照DEM高程值改正激 光測高儀的高程數(shù)據(jù)，最后判斷廣義高程控制點的高程值與改正后DEM值之間的差值，若差 值超過一定的閾值，則認為廣義高程控制點存在粗差，進行剔除。
[0044]考慮到不同的立體相對成像條件、時間都有所區(qū)別，控制點集中適用于該影像的 點都有所區(qū)別，找到每一個立體影像最合適的控制點，才能使得最終的高程計算結(jié)果精度 最優(yōu)。因此，本發(fā)明第五步將廣義高程控制點代入雙線陣/三線陣圖像進行立體區(qū)域網(wǎng)平 差，根據(jù)平差的收斂性舍棄含粗差的廣義高程控制點。
[0045] 由于控制點可能存在一定的誤差，若采用傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像平差方式會造成平差結(jié) 果不收斂、連接點處高程求解異常等問題。衛(wèi)星影像的平面平差是指在區(qū)域網(wǎng)平差過程中 不求解連接點地面坐標的高程值，僅計算衛(wèi)星影像的定向參數(shù)和連接點物方平面坐標的一 種區(qū)域網(wǎng)平差方式，這種平差方式可以保證平差解算的穩(wěn)定以及平差后物方點平面坐標的 精度。與基于RFM的立體區(qū)域網(wǎng)平差類似，平面區(qū)域網(wǎng)平差并不改正RPC參數(shù)，而是僅僅改正 RFM模型的系統(tǒng)誤差補償參數(shù)。RPC模型的系統(tǒng)誤差補償模式可以分為物方補償和像方補償 兩種方案。研究表明，基于像方補償方案能夠很好地消除影像的系統(tǒng)誤差，從而提高基于 RFM的影像幾何處理精度?；谙穹降南到y(tǒng)誤差補償模型中最為常用的是仿射變換模型，即 6個未知數(shù)，最少需要3個控制點進行參數(shù)求解。利用一個控制點可以求解偏移參數(shù)，即eo和 fo,這樣幾乎可以吸收大部分的誤差。利用兩個控制點即可同時求解平移和漂移（由于陀螺 隨時間漂移等引起)量。
[0046] 將像方補償?shù)姆律漤梾?shù)(eQ，ei，e2)和作為未知數(shù)與地面點平面坐標 (X，Y)等未知數(shù)一并求解，即得到基于RFM模型的區(qū)域網(wǎng)平差誤差方程式。
[0048]式中，ΔΧ、ΔΥ為待定點的地面坐標改正數(shù)。
[0049]在每次平差結(jié)束之后得到連接點新的物方平面坐標，此時加入數(shù)字高程模型DEM 作為高程約束，在連接點處通過DEM內(nèi)插該點的地面點坐標高程值Z(而非通過多片前方交 會得到），將其與平面坐標(X，Y)-起代入平差系統(tǒng)中進行下一次迭代計算，直到整個平差 過程收斂。在迭代過不斷剔除高程差異最大的點，直到平差結(jié)果收斂。
【主權(quán)項】
1. 一種多源數(shù)據(jù)集成的星載激光測高儀粗差剔除方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 由測高儀回波計算反射率，剔除反射率異常的回波數(shù)據(jù)，剔除反射率異?；夭ǖ牟?驟如下： (1-1)根據(jù)星載激光測高儀的波形定標數(shù)據(jù)，由DN值得到波形所對應的能量值J; (1-2)對回波數(shù)據(jù)進行大氣改正，并利用激光的出射能量Jo和大氣氣溶膠含量，計算回 波的反射率； (1-3)剔除反射率低于0.01的回波數(shù)據(jù)； (2) 根據(jù)星上相機拍攝的影像，剔除云層遮擋下的回波數(shù)據(jù)，剔除云層回波的具體步驟 如下： (2-1)使用參照的影像和足印相機、或者其它星上相機拍攝的圖像，使用多光譜影像氣 溶膠厚度的檢測與提取方法，計算得到氣溶膠的厚度，得到氣溶膠分布圖； (2-2)根據(jù)激光足印點的地理坐標，得到其在氣溶膠分布圖上的位置，將云層厚度，即 氣溶膠厚度，大于1的像元對應的回波數(shù)據(jù)剔除； (3) 在輔助數(shù)據(jù)的支撐下，由測高儀回波數(shù)據(jù)生成廣義高程控制點，具體步驟如下： (3-1)將立體相機影像與大光斑激光雷達同軸的足印相機影像進行配準，得到激光的 指向ig息； (3-2)根據(jù)雙線陣立體相機獲取密集高程點云數(shù)據(jù)； (3-3)通過對在足印內(nèi)的點云數(shù)據(jù)按高程進行分類，得到光斑內(nèi)不同高程地物類別數(shù) 目； (3-4)通過類別數(shù)目指導進行大光斑激光雷達波形分解，通過波形分解得到每一高程 類別地物準確的高程信息； (3-5)通過點云計算每個高程類別信息高程的標準差，取標準差最小的一類作為參考 提取廣義尚程控制點； (4) 地形的改變一般幅度較小，因此已有的DEM數(shù)據(jù)可以作為輔助數(shù)據(jù)剔除誤差較大的 異常測高數(shù)據(jù);在DEM數(shù)據(jù)的支持下，剔除含誤差的廣義高程控制點數(shù)據(jù)集中的誤差，具體 步驟如下： (4-1)計算各局部區(qū)域激光測高儀的高程數(shù)據(jù)與參照DEM的高程之間的相關(guān)系數(shù)； (4-2)以擬合系數(shù)改正參照DEM的高程值； (4-3)用改正后的參照DEM高程值改正激光測高儀的高程數(shù)據(jù)； (4-4)判斷廣義高程控制點的高程值與改正后DEM值之間的差值，若差值超過一定的閾 值，則認為廣義高程控制點存在粗差，進行剔除； (5) 將廣義高程控制點代入雙線陣或三線陣圖像進行立體區(qū)域網(wǎng)平差，根據(jù)平差的收 斂性舍棄含粗差的廣義高程控制點;具體步驟為： (5-1)將廣義高程控制點數(shù)據(jù)代入雙線陣或三線陣立體像對中，作為高程控制點輔助 進行弱交會條件下的平面區(qū)域網(wǎng)平差； (5-2)在迭代過不斷剔除高程差異最大的點，直到平差結(jié)果收斂。
【文檔編號】G01S7/497GK105866764SQ201610236455
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】謝鋒, 楊貴, 舒嶸, 王建宇
【申請人】中國科學院上海技術(shù)物理研究所