星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法
【专利摘要】本发明涉及激光遥感【技术领域】，尤其是涉及星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法。本发明通过建立星载激光测高系统测量固体地表的距离精度和高程精度数学模型，设计了完整的测高系统精度快速检测方法，并推导了具体实施过程中所涉及的回波能量计算方法和设计了地表目标参数计算方法。本发明不仅能够检测已知测高系统硬件参数和地表目标参数时的卫星激光参考点与地表目标之间的测距精度，而且结合卫星平台姿态和位置数据可以检测激光测高系统的平面和高程精度。这种平面和高程精度快速检测方法对激光测高系统参数设计和精度评估有较高的参考意义。
【专利说明】星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，尤其是涉及一种星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法。
【背景技术】
[0002]星载激光测高系统是一种主动式测量系统，通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波，精确计算激光脉冲在卫星和地面之间的渡越时间，得到卫星和地表的距离；结合卫星精密轨道和姿态数据，生成激光脚点精确地理位置和高程结果。通过卫星连续运行，最终得到覆盖地球表面DEM模型。
[0003]激光测高系统发射的激光脉冲能穿透植被获取三维地形，具有传统摄影测量方式无法取代的优点；其激光发散角在亚毫弧量级，水平定位精度和分辨率远远高于微波雷达方式；位于大气透过窗口的1064nm波长激光可以直接被冰盖和海洋表面反射，几乎没有穿透效应，高程精度可达15cm。这些优点使其广泛用于南北极冰盖变化监测、极区附近海冰变化监测、植被年际变化监测，少量用于海洋环境监测等领域；如果作为遥感影像的地面高程控制点，可以生成1:10000的大比例尺地形图。
[0004]ICESat卫星搭载的GLAS系统于2003年发射升空，在轨间断运行7年，是目前为止唯一一颗用于全球地表观测的星载激光测高系统。对地球观测的GLAS系统的观测成果不仅包含器件本身所带来的误差，也包含如光束穿越大气产生的散射和折射等环境误差，以及由地表斜率或粗糙度等引起的目标误差。因此，建立测高系统测距精度模型，以及完整的激光脚点平面和高程精度快速检测方法对激光测高系统参数设计、误差分析和数据产品的有效性和准确性评估至关重要。
[0005]然而，目前已有测距精度模型较为复杂，还没有全面分析器件、环境和目标对测距影响的简化数学模型，GLAS的技术文档中也没有给出完整描述星载激光测高系统平面和高程精度的数学模型，而是直接列出影响数值大小。
【发明内容】
[0006]本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的:
[0007]—种星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0008]步骤1，根据测高系统硬件参数计算受器件影响的距离误差ARn ;并设定大气透过率Ta、目标表面反射率β r>以及其它测高系统参数如发射能量Q，接收望远镜面积K ；
[0009]步骤2，输入地表目标高度模型数据，即沿Xd和Yd均匀采样地表目标相对于XdOdYd平面的高度；筛选得到光斑直径D范围内的所有高程点(xn，yn，zn);使用LM算法拟合筛选后所有高程点(xn，yn，zn)的最接近平面，并计算平面法向量(％，&2，-1)，进而计算目标表面斜率S;并通过直接求解所有的Zn标准差得到筛选后的光斑内目标表面粗糙度Std(A ξ)；最后通过步骤I设定的参数计算回波光子数N ;这里，需要解释一下筛选的目的，由于激光测高系统发射的激光脉冲照射到地球表面时呈近似圆形分布光斑，其光斑直径为D，该原则是保留光斑内的高程点，因为光斑之外的点不对观测造成影响，如果不剔除相当于混入了噪声。
[0010]步骤3:使用步骤2得到的表面斜率S和粗糙度Std ( Λ ξ )，回波光子数N，并设定测高系统探测器噪声系数F，以及光束指向角β，即天底方向与激光光轴夹角，计算目标影响导致的测距误差ARpr、Λ Rps和ARpp;
[0011]步骤4:基于一个受环境影响的修正残差值Λ Re，实际上环境误差影响有几米量级，而经过大气延迟修正和固体潮汐修正等通用算法修正后，剩余的环境残差即Λ Re，通常为2-3cm;步骤I中得到的距离误差Λ Rn，以及步骤3中得到的测距误差Λ、、Λ Rps和ARpp,根据误差合成理论,利用RSS方法(Root-Sum-Squares,平方和的根)计算由ARe'Δ Rn、Δ Re、Δ Rpr, Δ Rps和Λ Rpp组成的整体测距误差Λ R ;其中，ARe通常取2-3cm ；
[0012]步骤5:根据系统进行正常测量工作时三个姿态角ω、φ和K ;测高系统偏航Δ ω、横滚Λ φ和俯仰角误差Λ κ ;指向角误差Λ β ;三个方向GPS卫星定位误差ΛΧ。、
Λ Ztj;以及步骤5得出整体测距误差AR;得到激光测高系统平面XY和高程Z方向精度。
[0013]本发明旨在简化并完善针对固体地表的激光测距精度模型，建立完整的激光脚点平面和高程精度模型，用于快速检测对地观测星载激光测高系统的精度指标。并且，利用丹麦科技大学提供的高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估美国ICESat卫星GLAS星载激光测高系统实 测数据的高程偏差，用于验证本发明方法的正确性和可行性。
[0014]在上述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，所述步骤I中，距离误差Λ Rn是基于以下公式得到:
【权利要求】
1.一种星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，根据测高系统硬件参数计算受器件影响的距离误差ARn;并设定大气透过率Ta、目标表面反射率βρ以及其它测高系统参数如发射能量Q，接收望远镜面积Ak ； 步骤2，输入地表目标高度模型数据，即沿Xd和Yd均匀采样地表目标相对于XdOdYd平面的高度；筛选得到光斑直径D范围内的所有高程点(xn，yn，zn);使用LM算法拟合筛选后所有高程点(xn，yn，zn)的最接近平面，并计算平面法向量(~&2，-1)，进而计算目标表面斜率S ;并通过直接求解所有的Zn标准差得到筛选后的光斑内目标表面粗糙度Std(A ξ);最后通过步骤I设定的参数计算回波光子数N ； 步骤3:使用步骤2得到的表面斜率S和粗糙度Std( △ ξ )，回波光子数N，并设定测高系统探测器噪声系数F，以及光束指向角β，即天底方向与激光光轴夹角，计算目标影响导致的测距误差Λ Rpr> Δ Rps和Λ Rpp ； 步骤4:基于一个受环境影响的修正残差值ARe(是否需要稍微展开论述一下ΛΙΟ，步骤I中得到的距离误差Λ Rn，以及步骤3中得到的测距误差Λ、、Λ Rps和Λ Rpp，根据误差合成理论，利用RSS方法(Root-Sum-Squares,平方和的根)计算由ARe、Δ Rn、Δ Rpr, Δ Rps和Λ Rpp组成的整体测距误差Λ R ;其中，ARe通常取2_3cm ； 步骤5:根据系统进行正常测量工作时三个姿态角ω、φ和K ;测高系统偏航Λ ω、横滚Λ φ和俯仰角误差Λ κ ;指向角误差Λ β ;三个方向GPS卫星定位误差Δ Z0 ；以及步骤5得出的整体测距误差Λ R ;得到激光测高系统平面XY和高程Z方向精度。
2.根据权利要求1所述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，所述步骤I中，距离误差ARn是基于以下公式得到:
3.根据权利要求1所述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，所述步骤2中，筛选光斑直径D范围内所有高程点(xn，yn，zn)是基于(x-XD)2+(x-XD)2 ( D2/4原则来进行，所述目标表面斜率S是基于以下公式得到:
4.根据权利要求1所述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，所述步骤3中，测距误差Λ!?#、ARps和Λ Rpp，是基于以下公式得到:
5.根据权利要求1所述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，所述步骤4中，使用RSS方法计算整体测距误差AR，即计算Λ Re、Λ Rn、Λ I?#、Δ Rps和Λ Rpp平方和的根，具体公式为:
6.根据权利要求1所述的星载激光测高系统固体地表目标平面和高程精度检测方法，其特征在于，所述步骤5中，测高系统的平面精度和高程精度基于以下公式获得: 平面精度的X方向基于以下公式:
【文档编号】G01S17/08GK103926589SQ201410181514
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】马跃, 李松, 阳凡林, 杨东清, 刘洪霞 申请人:山东科技大学