一种星载激光测高地面数据处理系统的制作方法

本发明涉及星载激光测高领域，尤其是涉及一种星载激光测高地面数据处理系统。

背景技术：

在对地观测系统，星载激光测高技术是最为核心和前沿的信息获取技术之一。除去一些实验性的载荷，由美国国家航空航天局发射的icesat卫星的激光测高仪(glas)是全球第一个星载卫星激光测高系统，其测高精度约为4-15cm，工作期从2003-2009年，获取了共计18个任务期的激光测高数据。其主要科学目标为测量南北极冰盖高程和、海冰的变化、云和气溶胶高度，以及地形和植被特征参数，该卫星通过激光器同时发射532nm和1064nm两个波段的激光，已广泛应用于极地冰盖的高程精密监测，极地冰下湖活动，森林冠层提取等。目前，该卫星已停止工作，其第二代激光测高卫星icesat-2也已于2018年9月15日发射，正在发布相关数据中。我国除试验性载荷外—资源三号02星外，已于2019年发射的高分七号(gf-7)激光测高仪是我国第一台业务化运行的星载激光测高仪，其搭载的双波束激光测高仪获取的高程数据，是gf-7实现在少控制点条件下满足1:1万立体测绘的应用需求的关键。由于gf-7号激光测高仪的参数和工作机制与icesatglas不同，迫切需要针对gf-7激光测高仪的特点，建立完整的国产激光测高数据处理业务化系统，解决激光的全波形特征与地形地物的对应关系和影响规律、准确估计激光脚点的绝对高程和脚点内地物的相对高程等关键科学问题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，在美国icesat/glas测高地面数据处理系统的基础上和针对gf-7号卫星的载荷特点，而提供一种星载激光测高地面数据处理系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种星载激光测高地面数据处理系统，所述星载激光测高地面数据处理系统包括：

第一级激光测高地面数据处理模块，用于对原始的激光测高地面数据包进行数据预处理、激光的能量计算和卫星轨道位置的计算，所述激光的能量计算包括发射波能量计算和回波能量计算；

第二级激光测高地面数据处理模块，用于对第一级激光测高地面数据处理模块处理后的数据，进行发射波和回波波形分析；

第三级激光测高地面数据处理模块，用于对第二级激光测高地面数据处理模块处理后的数据，进行激光脚点精确定位，从而获取精确的高程信息。

进一步地，所述第二级激光测高地面数据处理模块中，对第一级激光测高地面数据处理模块处理后的数据，基于gf-7号卫星发射波采样间隔0.5ns及双波束等特点进行发射波波形分析，具体包括对发射波波形中心、偏度、峰度、最高峰值及面积的提取。

进一步地，所述第二级激光测高地面数据处理模块中，对第一级激光测高地面数据处理模块处理后的数据，基于gf-7号卫星回波采样间隔0.5ns及双波束等特点进行回波波形分析，具体包括对回波波形依次进行平滑滤波、高斯分解和参数提取；

进一步地，所述平滑滤波包括高斯滤波、均值滤波和自定义滤波，所述自定义滤波通过改变各个波形点所对应的权重值进行滤波；

所述高斯分解采用非线性最小二乘法进行拟合；

所述参数提取包括提取波形全高、波形长度、波峰长度、半波能量高、波形前缘长度和波形后缘长度。

进一步地，所述第三级激光测高地面数据处理模块中，获取的高程信息包括激光到达地面点的初始距离、激光地面脚点定位的三维坐标值、大气改正值和潮汐改正值。

进一步地，通过卫星激光测高严密几何定位模型，计算所述激光地面脚点定位的三维坐标值，所述卫星激光测高严密几何定位模型的计算参数包括激光发射时刻的卫星姿态、激光到达地面时卫星的位置，所述卫星激光测高严密几何定位模型的计算公式为：

式中，为激光地面脚点在itrf坐标系下的三维坐标，为卫星gnss相位中心在itrf坐标系下的三维坐标，为j2000坐标系到itrf坐标系的旋转矩阵，为卫星本体坐标系转换到j2000坐标系的旋转矩阵，(lxlylz)^t为激光参考点在卫星本体坐标系中的三维坐标，ρ为经过修正的激光测距值，θ为激光指向与卫星本体坐标z轴的负向夹角，α为在xoy平面上的投影与x轴的正向夹角，(dxdydz)^t为卫星gnss的相位中心在卫星本体坐标系下的坐标。

进一步地，通过owens大气折射率模型，计算所述大气改正值，所述owens大气折射率模型在关于干空气的压缩率倒数和水汽的压缩率倒数分别采用以下经验公式，该经验公式的精度为百万分之几。

式中，p为总大气分压，pw为水汽分压，t为温度。

进一步地，所述潮汐改正值，包括平衡潮校正值、地球固体潮校正值、极潮校正值、海潮校正值和负荷潮校正值。

进一步地，所述星载激光测高地面数据处理系统还包括质量控制处理模块，该质量控制处理模块用于对第一级激光测高地面数据处理模块、第二级激光测高地面数据处理模块和第三级激光测高地面数据处理模块进行综合评价，所述综合评价包括检测数据缺失情况和对数据进行分析。

进一步地，所述星载激光测高地面数据处理系统还包括系统界面模块，所述系统界面模块包括主界面子模块和批处理界面子模块，

所述主界面子模块显示有用于显示文字类数据信息的分析视图、用于显示激光测高波形数据信息的波形视图、用于显示卫星位置及卫星激光脚点定位位置的地图视图和用于显示激光足印影像的影像视图；

所述批处理界面子模块，用于同时对多个激光测高地面数据包进行处理，所述批处理界面子模块包括滤波分析界面、脚点定位界面、误差修正界面和信息总览界面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明星载激光测高地面数据处理系统，分为三级对激光测高地面数据进行处理，第一级激光测高地面数据处理模块处理生成有数据识别号、发射波能量、回波能量和卫星轨道位置等激光定位产品；第二级激光测高地面数据处理模块处理生成有发射波波形中心、偏度、峰度、最高峰值及面积、回波波形全高，波形长度，波峰长度，半波能量高，波形前缘长度及波形后缘长度等激光定位产品；第三级激光测高地面数据处理模块处理生成有初始距离、激光地面脚点定位的三维坐标值、大气改正值和潮汐改正值等激光定位产品，相较于美国icesat/glas测高地面数据处理系统，本发明星载激光测高地面数据处理系统获取的激光定位产品更加全面丰富，能应对更广泛的用户需求。

(2)本发明星载激光测高地面数据处理系统，对发射波和回波的波形分析均考虑到gf-7号卫星回波采样间隔0.5ns及双波束的特点，适用于对gf-7号卫星激光测高地面数据的处理。

(3)本发明星载激光测高地面数据处理系统中，计算大气改正值的owens大气折射率模型中，干空气的压缩率倒数和水汽的压缩率倒数的经验计算公式均可达百万分之几的精度，提高了大气改正值计算结果的准确度。

(4)本发明星载激光测高地面数据处理系统，通过卫星激光测高严密几何定位模型，计算激光地面脚点定位的三维坐标值时，考虑到激光发射时刻的卫星姿态、激光到达地面时卫星的位置，消除了定位过程中光行差的影响，使得获取的激光地面脚点定位的三维坐标值更加准确。

(5)本发明星载激光测高地面数据处理系统，设有批处理界面子模块，顾及了用户对于产品批量处理方面的需求。

(6)本发明针对三级激光测高地面数据处理模块数据处理过程中，产生的数据信息的特点，在主界面子模块设置了用于显示文字类数据信息的分析视图、用于显示激光测高波形数据信息的波形视图、用于显示卫星位置及卫星激光脚点定位位置的地图视图和用于显示激光足印影像的影像视图，便于更直观地对数据信息进行分析。

(7)本发明星载激光测高地面数据处理系统，能够较好地兼顾用户在星载激光测高地面数据分析及其产品批量处理两方面的需求，且适用于gf-7号卫星激光测高地面数据的处理。

附图说明

图1为本发明星载激光测高地面数据处理系统的数据处理流程示意图；

图2为本发明主界面子模块的主界面示意图；

图3为本发明批处理界面子模块的批处理界面示意图；

图4为本发明批处理数据控制文件格式示意图；

图5为本发明批处理分界面中波形分析示意图；

图6为本发明批处理分界面中脚点定位示意图；

图7为本发明批处理分界面中误差修正示意图；

图8为本发明批处理分界面中信息总览示意图；

图9为本发明实施例激光波形能量计算测试示意图；

图10为本发明实施例卫星位置计算测试示意图；

图11为本发明实施例发射波表征测试示意图；

图12为本发明实施例波形滤波、高斯分解和特征提取测试示意图；

图13为本发明实施例初始距离和初始脚点定位计算测试示意图；

图14为本发明实施例大气改正和潮汐校正测试示意图；

图15为本发明实施例第一级激光数据产品质量控制文件测试示意图；

图16为本发明实施例第二激光数据产品质量控制文件测试示意图；

图17为本发明实施例第三激光数据产品质量控制文件测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例为一种星载激光测高地面数据处理系统，包括第一级激光测高地面数据处理模块、第二级激光测高地面数据处理模块、第三级激光测高地面数据处理模块、质量控制处理模块。

下面对各模块进行详细介绍：

1、第一级激光测高地面数据处理模块

第一级激光测高地面数据处理模块主要针对原始的激光测高地面数据包进行整理和初步分析，包括数据预处理、激光的能量计算、卫星轨道位置计算等，生成包括数据识别号(id)、发射波能量、回波(最大峰值、全波)能量和卫星轨道位置等1级卫星激光测高产品。

2、第二级激光测高地面数据处理模块

第二级激光测高地面数据处理模块的功能主要是对经过第一级激光数据处理模块处理后得到的数据，基于gf-7号卫星发射波采样间隔0.5ns及双波束等特点，进一步进行发射波、回波波形的处理分析，主要包括对发射波波形进行表征，对回波波形进行相应的平滑滤波处理，对滤波后的回波波形进行高斯分解，以及对分解后的波形进行波形参数提取等。

发射波的表征主要包括了发射波波形中心、偏度、峰度、最高峰值及面积的提取。而平滑滤波的方法主要包括高斯滤波、均值滤波及自定义滤波(即滤波窗口下各个波形点所对应的权重值)，对波形进行滤波。

回波高斯分解的目的在于将回波分解成多个高斯波，通过分解出的高斯分量，可以获取更多的额外参数，本级激光数据处理模块中的回波高斯分解主要采用非线性最小二乘拟合。

波形参数提取则包括波形全高，波形长度，波峰长度，半波能量高，波形前缘长度及波形后缘长度等参数的计算。

3、第三级激光测高地面数据处理模块

第三级激光测高地面数据处理模块的功能主要是实现激光脚点精确定位，从而获取精确的高程信息，包括对经过第二级激光数据处理模块处理后得到的数据进行激光到达地面点的初始距离计算、初始激光地面脚点定位、大气校正和潮汐改正等，最终生成包括初始距离、激光地面脚点定位的三维坐标值、大气改正值和潮汐改正值等激光定位产品。

其中，初始激光脚点位置是基于卫星激光测高严密几何定位模型进行计算的，为了消除定位过程中光行差的影响，采取的策略为采用激光发射时刻的卫星姿态、激光到达地面时卫星的位置参与模型中的计算。

卫星激光测高严密几何定位模型的计算公式为：

式中，为激光地面脚点在itrf坐标系下的三维坐标，为卫星gnss相位中心在itrf坐标系下的三维坐标，为j2000坐标系到itrf坐标系的旋转矩阵，为卫星本体坐标系转换到j2000坐标系的旋转矩阵，(lxlylz)^t为激光参考点在卫星本体坐标系中的三维坐标，ρ为经过修正的激光测距值，θ为激光指向与卫星本体坐标z轴的负向夹角，α为在xoy平面上的投影与x轴的正向夹角，(dxdydz)^t为卫星gnss的相位中心在卫星本体坐标系下的坐标。

大气校正值基于owens大气折射率模型进行计算，owens大气折射率模型是通过使用沿天顶方向的大气传输延迟与非天顶方向相应的映射函数乘积的方法来计算大气延迟。

owens大气折射率模型中干空气的压缩率倒数和水汽的压缩率倒数的计算表达式为：

式中，p为总大气分压，pw为水汽分压，t为温度。

干空气的压缩率倒数和水汽的压缩率倒数的计算表达式均为经验公式，它们的精度可达百万分之几。

潮汐改正主要包含五部分，包含平衡潮校正、地球固体潮校正、极潮校正、海潮校正和负荷潮校正。

4、质量控制处理模块

质量控制处理模块主要是对某时间段内(或沿轨距离内)的三级激光数据集(第一级激光测高地面数据处理模块、第二级激光测高地面数据处理模块和第三级激光测高地面数据处理模块获取的数据)进行整体的数据产品综合评价。综合评价主要包括检测各类数据(如波形数据、影像数据、辅助信息数据等)的缺失情况，以及统计分析相关信息值(如时间信息、卫星位置信息、波形相关属性信息等)。用户通过质量控制文件，可以更加全面地分析某段时间内的激光数据，并依据相应的数据应用质量需求对数据进行选择。

5、系统界面设计

本系统设计了两种不同模式的星载激光测高地面数据处理方式，包括对单组激光数据进行分析处理(简称分析处理方式)和对单个文件多组或多个文件多组激光数据进行批量处理(简称批量处理方式)。专业用户可以通过分析处理方式对各级处理算法进行分析和部分算法参数进行调整测试，或通过批量处理方式生成可供下游应用单位或用户直接使用的数据产品。相对应这两种处理方式，本系统还设计了系统界面模块，系统界面模块包括用于分析处理的主界面子模块和用于批量处理的批处理界面子模块。

5.1、主界面子模块设计

如图2所示，主界面子模块包括用于分析处理的主界面及其功能模块，功能模块涵盖了三级卫星激光测高地面数据的处理过程，并为用户提供部分处理算法的参数调整或外部辅助数据导入的子界面，包括波形分解滤波方式的选择和各类误差改正辅助数据的导入等。对应三级数据处理过程中产生的数据信息的特点，该界面为用户提供了4类用于数据分析的显示视图，包括用于显示文字类数据信息的分析视图、用于显示激光测高波形数据信息的波形视图、用于显示卫星位置及卫星激光脚点定位位置的地图视图和用于显示激光足印影像的影像视图。

3.2、批处理界面子模块设计

批处理界面子模块包括批处理界面及其功能模块，批处理界面的设计是采用向导式界面模式，旨在引导用户实现对单个文件多组或多个文件多组激光数据进行批处理生成产品。

如图3所示，批处理界面的首界面为文件导入界面，主要是对数据处理控制文件进行信息读取和鉴别。

如图4所示，数据处理控制文件的格式的设计同时为用户提供了对某个文件或某些文件仅在某段时间间隔内进行处理。

如图5至8所示，用户完成文件导入界面的设置后，依次进入滤波分析、脚点定位、误差修正、信息总览四个子模块分界面。其中，滤波分析子模块界面主要是供用户自主选择回波信息滤波的方式；脚点定位子模块界面主要是对iers发布的进行读取和处理；误差修正子模块界面主要是对大气校正和潮汐改正数据文件集的路径提供接口；信息总览子模块界面主要是对用户在前面各个子模块交互界面中录入或选择的信息进行汇总和鉴别，用红色字体标出设置出错的信息提醒用户。

经过批处理界面处理的数据将按处理等级，对应出现在不同处理等级的激光数据产品文件和质量控制文件中。其中，激光数据产品文件输出为hdf5格式，其存储每一条记录在内容信息上与主界面对应处理算法(算法参数一致情况下)后的内容信息是一致的，而质量控制文件的输出为文本格式。

6、系统测试结果与分析

本文以某一组模拟数据集为例，依据处理等级依次对三级激光测高地面数据处理模块进行测试。其中，第一级激光测高地面数据处理模块中的激光能量计算和卫星位置计算分别如图9和图10所示。图10中的地图分析视图显示的红色标点即为激光卫星的位置。第二级激光测高地面数据处理模块中的发射波表征结果如图11所示，回波信号滤波、高斯分解和特征参数提取如图12所示。图12中的波形分析视图显示的红色线代表原始回波波形信号，绿色线代表滤波后的回波波形信号、蓝色线代表高斯分解后的回波波形信号。第三级激光测高地面数据处理模块中初始距离计算和初始激光脚点定位结果如图13所示，大气改正和潮汐校正计算结果如图14所示。

质量控制处理的测试以某个数据文件3组模拟数据集为数据源，其测试结果如图14、图15和图16所示。其中，图15为1级激光数据产品质量控制文件测试结果，图16为2级激光数据产品质量控制文件测试结果，图17为3级激光数据产品质量控制文件测试结果。

由于gf-7号卫星刚刚发射，目前处于测试阶段，本系统的设计仅立足于其部分公开的资料，因此，后续工作还要依据实际gf-7号卫星的星载激光数据，对现有的系统框架进行修正。尽管如此，本发明在研究了icesat/glas测高系统软件的研究基础上，针对gf-7号卫星的特点，开展了星载激光测高地面数据系统软件的设计并对其进行测试。该系统能够较好地兼顾用户在星载激光测高地面数据分析及其产品批量处理两方面的需求，对gf-7号卫星激光测高地面数据的处理具有一定的参考意义。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。