对地观测激光测高卫星高程控制点自动提取方法和数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星数据处理方法，更具体而言涉及一种激光足印影像的云雾量检测 方法及基于回波波形处理和云雾量检测的高程控制点自动提取方法和对地观测激光测高 卫星数据处理方法。
【背景技术】
[0002] 随着经济的发展，三维地理信息已经在数字地球、城市规划、环境保护等各方面得 到广泛应用。而遥感卫星技术的快速发展，使航天摄影测量已经成为继航空摄影测量后又 一个快速获取三维地理信息的手段，特别是近年来随着三线阵立体相机等技术的发展，三 维遥感信息的获取技术取得了长足的进步。
[0003] 例如，资源三号是我国首颗高精度民用立体测图卫星，它的成功发射和有效应用 打破了我国长期以来对国外高精度卫星影像的依赖，产生了巨大的社会和经济效益。但由 于光学立体卫星立体测图方式以及卫星姿轨测量精度、相机畸变等方面的原因，导致其在 无地面控制点的条件下，其高程测量精度还难以满足高精度测绘的需求。
[0004] 地面控制点GCP(Ground Control Points)是卫星遥感影像几何纠正和地理定位 时重要的基准数据源。在遥感影像几何纠正处理过程中，为达到一定的纠正精度，一定数量 的地面控制点是必不可少的，通过控制点的物方坐标和相应的像点坐标构建影像成像模型 并求解模型参数或对已有成像模型进行优化补偿求解补偿参数，最终建立成像过程中物方 与像方的正确转换关系。
[0005]传统作业过程中的控制点一般采用全野外测量的模式，需要经过"收集已有控制 资料、测区踏勘、选点埋石、外业测量、内业整理"等一系列复杂的工序，虽然随着GPS-RTK等 先进测量技术的发展，外业测量的工作量和复杂度大大减少，但必要的控制点野外测量工 作仍不可避免。
[0006] 此外，由于卫星遥感影像覆盖范围大（以资源三号卫星为例，覆盖范围为50公里X 50公里），要想获得均匀分布的地面控制点，通常需要在几百公里乃至上千平方公里的范围 内施测，其外业工作量之大、耗费人力和物力之巨是不言而喻的。此外，在地震、洪水、泥石 流等自然灾害多发区域或原始森林、沼泽、沙漠等人迹罕至地区，测量人员常常无法进入实 地进行测量。
[0007] 即使控制点是通过人工选取遥感影像和地形图同名点来获得，也存在效率低下、 精度难以保障等问题。而对同一地区的不同时相或不同传感器影像进行纠正，又会出现重 复选点的情况。
[0008] 地面控制点一般分为：平高控制点、平面控制点和高程控制点。中国专利申请 201310143369.3公开了一种多源异构遥感影像控制点自动采集方法，能够从多源异构影像 自动提取遥感控制影像点（控制点影像片），提高了控制数据获取的效率和精度，但其实质 上仍为一种平面控制点的自动采集方法。
[0009]在地面控制点数据不足的情况下，卫星影像的区域网平差技术可以作为精确几何 定位的一种重要手段。例如，中国发明专利申请201510191096.9公开了一种基于星载激光 测高数据的卫星影像立体区域网平差方法。在该专利申请所公开的方案中，采用星载激光 测高数据作为广义高程控制点数据库的控制数据。
[0010]开展全球测绘，是为保护我国领土主权、相关利益和地理信息安全的必要支撑。卫 星遥感技术在获取境外地理信息方面具有独特的优势。目前，国家测绘地理信息局正围绕 "一带一路"、"高铁走出去"等重大战略需求，逐步开展全球高精度立体测图。而进行全球高 程控制点的测量与获取，则是开展全球测绘的重要技术保障。因此，为顺利开展全球测图相 关的工作，必须优先开展全球高精度控制点的获取，建立相应的控制点数据库。利用激光测 高卫星进行全球高程控制点获取，是在目前卫星遥感技术条件下，一种有效的技术手段。 [0011]星载激光测高是一种地面点高程测定技术，它以卫星为平台，搭载激光测高仪从 空间、时间对地球进行观测，高精度、实时地测定卫星到被测物体之间的距离，并通过数据 处理与分析，获得地球表面的地貌、植被覆盖情况、海面形态等信息。国外星载激光测高技 术发展迅速，世界主要发达国家都在开展星载激光测高仪的研究。例如，美国于2003年发射 了ICESat卫星，其上搭载的地球科学激光测高仪系统（Geoscience Laser Altimeter SyStem，GLAS)是全球第一个用于连续观测地球的星载激光测距系统，其主要科学目的是测 量极地冰盖高程及其变化，云层和气溶胶的分布特征等。ICESat卫星在轨运行期间，获取了 大量高精度的高程数据，其激光足印平面精度达1 〇m量级，高程精度约15cm。
[0012] 国内近年来十分重视星载激光测高研究。自主研发的探月工程系列卫星"嫦娥一 号"和"嫦娥二号"卫星均搭载了高精度的激光测高仪，获取了月球表面三维立体影像。除了 "嫦娥"系列卫星上搭载激光测高仪外，还没有用于对地观测的激光测高系统，但已经列入 后续对地观测激光测高卫星发展规划，如1:1万比例尺的高精度民用立体测图卫星、陆地生 态系统碳监测卫星等，均将搭载对地观测的激光测高仪。
[0013] 对地观测激光测高卫星在激光束往返大气的过程中，会与大气分子及气溶胶产生 散射、折射等现象，进而导致激光能量出现衰减、回波变形、测距精度下降等问题，其中云特 别是厚云的影响尤为显著，为了保证激光测距的精度，需要尽量减少云层对激光测距的影 响，保证获得的激光测距值有效。
【发明内容】
[0014] 根据本发明的实施例的一方面，提供了一种激光足印影像的云雾量检测方法，其 包括:利用大量的含云雾影像进行样本训练，获得云雾的优选灰度阈值及纹理特征值;计算 整幅足印影像的灰度直方图，基于所述优选灰度阈值初步判断是否存在云雾，以及云雾的 含量;计算足印影像的子块的灰度均值，当所述子块的灰度均值高于第一阈值时判定含云 雾，当所述子块的灰度均值低于第二阈值时判定不含云雾;利用灰度共生矩阵计算灰度均 值处于所述第一阈值和第二阈值之间的影像子块的纹理特征，与从所述样本训练获得的所 述云雾纹理特征值进行对比；统计被判定为云雾的像素总数及其在所述整幅足印影像中的 数量占比，确定云雾量。
[0015] 根据本发明实施例的激光足印影像云雾量检测方法，可选地，在计算整幅足印影 像的灰度直方图时，对影像进行直方图均衡化增强处理，均衡化的公式如下：
[0017] 0<rk< l,k = 0,l,2,. . .L-l
[0018] 其中，sk为原图灰度值为k的像素经过变换后的新灰度值;Pr(ri)是灰度值为i的像 素频率;L是图像的灰度等级。
[0019] 根据本发明实施例的激光足印影像云雾量检测方法，可选地，所述第一阈值时 235,所述第二阈值是80。
[0020] 根据本发明实施例的激光足印影像云雾量检测方法，可选地，利用灰度共生矩阵 计算所述影像子块的纹理特征时所考虑的纹理特征包括:角二阶矩，同质性，对比度和相关 性中的一个或多个。
[0021] 根据本发明的实施例的另一方面，提供了一种对地观测激光测距值有效性评估方 法，其包括:对于激光测高卫星下传的经解码后的原始数据进行系统几何改正及初步的波 形处理，根据几何对应关系，获得激光光斑对应的足印影像，基于硬件参数和地理坐标或者 足印相机与激光测高仪的初步标定来实现激光和足印影像的基本配准;确定所获得的与激 光光斑对应的足印影像的中心点位置，并确定足印影像中激光光斑对应的面积;将确定的 影像进行裁剪或存入内存中形成足印影像块;采用前述的云雾量检测方法，对所述足印影 像块进行云雾量检测，获得足印影像块的云雾量值;基于所述云雾量值判断所述足印影像 块的激光测距值的有效性或可用性。
[0022] 根据本发明的实施例的又一方面，提供了一种激光高程控制点提取方法，其包括： 采用前述的对地观测激光测距值有效性评估方法，保留判定为无云的足印影像块，剔除掉 判定为薄云或厚云的足印影像块的激光高程数据；以激光足印点的反射率ε〈1作为筛选参 数，筛选所述保留的足印影像块的激光足印点，其中，
\选择回波波形中仅有 一个波峰、峰值大于阈值且波形拟合后的标准偏差3.2ns的激光足印点，其中，用于确定 所述阈值的参数包括激光器的发射能量和接收口径。
[0023] 根据本发明实施例的激光高程控