專利名稱：基于小波分析的星載激光雷達波形數(shù)據(jù)分解方法
技術領域：
本發(fā)明是一項對地觀測領域的技術，涉及一種對星載激光雷達波形數(shù)據(jù)處理的方 法，是一種通過利用小波分析來實現(xiàn)激光雷達波形數(shù)據(jù)分解的方法。本發(fā)明是一項具有應 用價值的信息處理技術。
背景技術：
激光雷達(Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR)是一種集激光、全球定 位系統(tǒng)(GlobalPositioning System，簡稱 GPS)和慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation Systems，簡稱INS)技術于一身的用于快速獲取地面及地面目標三維高空間分辨率信息的 主動式觀測系統(tǒng)，LiDAR技術與成像光譜、合成孔徑雷達一起被列為對地觀測系統(tǒng)(EOS)計 劃最核心的信息獲取與處理技術。
大光斑激光回波信號是由發(fā)射脈沖和激光光斑內(nèi)的森林、地表參數(shù)共同決定的。 前者包括工作的波長、脈沖寬度、脈沖能量、光斑尺寸和記錄回波脈沖的時間間隔。理想狀 態(tài)下，激光脈沖是一個極短持續(xù)時間的方波以確保精度和高的垂直分辨率。事實上激光脈 沖的形狀為曲線并有著一定的持續(xù)時間。一般而言，脈沖寬度遠大于信號數(shù)字化的間隔，每 一個散射體將產(chǎn)生一個記錄為許多幀的信號。連續(xù)的記錄激光雷達的回波構成了回波波形，每一時刻的回波都對應著一個強 度一時間波形并且代表著該激光點范圍內(nèi)的一個截面積。波形記錄的間隔時間越短，地物 的信息越詳細，垂直分辨率越高。ICESat是美國2003年1月發(fā)射的科學試驗衛(wèi)星。該衛(wèi) 星的目的是觀測10至15年內(nèi)的大氣、海洋、陸地、冰和生物圈，從而監(jiān)測與氣候、環(huán)境變 化密切相關的地球一大氣系統(tǒng)變化。其搭載的地球科學激光測高儀(Geosciences Laser Altimeter System，簡稱GLAS)是目前唯一在軌運行的星載激光測高系統(tǒng)。GLAS采用全波 形記錄的方式，陸地回波的時間間隔是1ns，記錄544幀數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)由時刻信息及某一 時刻所接收的回波信號能量構成，對波形數(shù)據(jù)進行濾波、分解和量化等處理可得到地面目 標的高程信息。但是與硬件的發(fā)展相比，波形數(shù)據(jù)的分解和處理方法的研究卻相對滯后。對激光雷達波形數(shù)據(jù)分解的研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了一些工作。馬洪超和李 奇(2009)利用改進EM算法對激光雷達波形數(shù)據(jù)進行分解，并申請了發(fā)明專利(一種基 于改進的EM算法的激光雷達波形數(shù)據(jù)分解的方法，申請?zhí)?00710168907.9，公開號 CN101196562A)，該方法主要針對機載波形數(shù)據(jù)進行波形分解。美國航空航天局(NASA)對 GLAS波形數(shù)據(jù)進行分解并形成了全球免費下載產(chǎn)品，其波形分解算法是導數(shù)求解波形個 數(shù)、高斯擬合得到波形參數(shù)(http://nsidc.org/data/icesat)。另外，美國馬里蘭大學的 Hofton等人(2000)利用高斯擬合和最小二乘逼近方法進行波形數(shù)據(jù)分解。參考文獻見附 件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種處理星載激光雷達波形數(shù)據(jù)的方法。根據(jù)星載激光雷達波形數(shù)據(jù)符合高斯分布的特征，利用小波分析方法對星載激光雷達波形數(shù)據(jù)進行分解， 進而求得森林植被結構參數(shù)。實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術方案基于小波分析的星載激光雷達波形數(shù)據(jù)分解方 法，包括以下步驟(1)讀取GLAOl波形數(shù)據(jù)和GLA14經(jīng)緯度信息；(2)根據(jù)GLAOl和GLA14兩者共同字段進行匹配，對匹配后的結果按照條件進行篩 選；(3)將count值轉換成volt值，對轉換后的波形進行濾波處理；
(4)利用5個不同尺度的高斯小波基對波形數(shù)據(jù)進行分析，記錄不同尺度下的波 峰位置信息；(5)對5個尺度下得到的峰值利用3倍標準差和閾值進行篩選，對波形中的噪聲進 行剔除；(6)記錄5個不同尺度下各峰值附近的波形的對稱性信息，作為后期信息篩選條 件；(7)對5個尺度下的分析結果同時進行搜索，找到第一個記錄峰值位置的信息。搜 索其后3個時間間隔內(nèi)是否有峰值位置信息，如有則記錄。對記錄的全部峰值位置信息以 第六步中的信息篩選條件進行篩選，得到最優(yōu)的峰值位置，對于查找后面的峰值信息使用 相同的方法；(8)根據(jù)以上處理結果可以得到起止波的波峰位置，可進一步計算得到波形長度 及相關的樹高信息等。


下面結合附圖和實例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明的技術路線流程圖。圖2是原始波形數(shù)據(jù)。圖3是轉換成volt后的波形數(shù)據(jù)。圖4是經(jīng)過濾波后的波形數(shù)據(jù)。圖5是尺度1下小波分析得到的峰值位置信息。圖6是尺度2下小波分析得到的峰值位置信息。圖7是尺度3下小波分析得到的峰值位置信息。圖8是尺度4下小波分析得到的峰值位置信息。圖9是尺度5下小波分析得到的峰值位置信息。圖10是得到的起止波形波峰位置信息。具體實施方法本發(fā)明提供的基于小波分析的星載激光雷達波形數(shù)據(jù)處理方法，技術流程圖如圖 1所示，其中主要包括以下步驟(I)GLAS數(shù)據(jù)產(chǎn)品GLAOl中包含星載激光雷達的原始波形數(shù)據(jù)。激光雷達原始 波形數(shù)據(jù)如圖2所示，橫坐標為波形數(shù)據(jù)的采樣間隔(單位ms)，縱坐標為星載波形回波 count值。根據(jù)NASA提供的GLAS-ANC07文件，將縱坐標數(shù)值轉換成電壓volt值，結果如圖3所示。GLA14中包含經(jīng)緯度信息，根據(jù)GLAOl和GLA14相同字段匹配，可以得到每個激光 點的經(jīng)緯度。(2)對波形數(shù)據(jù)進行初步篩選。由于GLAS產(chǎn)品數(shù)據(jù)中存在部分不可用信息，所以 在進行波形數(shù)據(jù)處理前，對得到的原始波形數(shù)據(jù)進行初步篩選。GLAS系統(tǒng)本身存在著系統(tǒng) 噪聲，所以回波波形數(shù)據(jù)值必定大于0。當GLAOl原始波形中出現(xiàn)0時對波形數(shù)據(jù)進行剔 除。由于信號飽和的原因，當GLAOl波形數(shù)據(jù)數(shù)值中出現(xiàn)一定數(shù)量的255時對波形數(shù)據(jù)進 行剔除。當匹配的GLA14數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度出現(xiàn)異常值時對波形數(shù)據(jù)進行剔除。(3)對波形數(shù)據(jù)的噪聲進行處理。信號在反射過程中由于受云和系統(tǒng)噪聲等多因 素影響會產(chǎn)生波形噪聲，如圖2&3中振幅很小且抖動的信號視為噪聲。利用多次均值濾波 對波形數(shù)據(jù)進行處理，經(jīng)濾波處理后的波形數(shù)據(jù)中噪聲得到了明顯的抑制，結果如圖4所
7J\ ο(4)對波形數(shù)據(jù)進行小波分析。由于回波波形數(shù)據(jù)可以看做若干不同σ的高斯波 形的疊加，所以對波形數(shù)據(jù)進行小波分析時選擇了 5個尺度的高斯小波基進行分析，這樣 可以得到不同σ高斯波形的疊加。五個尺度下的小波分析結果，可以反映出不同σ的高 斯波形對于原始波形的逼近程度。根據(jù)每個尺度下不同時間采樣間隔信號的逼近程度得到 峰值位置信息，并利用標準差和噪音 閾值對得到的峰值位置信息進行篩選。當回波波形中 出現(xiàn)開始和結束波峰的強度相差懸殊時，采用一倍標準差和噪聲閾值進行篩選，這樣可以 很好的保留結束波形的信息；其他情況下采用三倍標準差和噪聲閾值進行篩選，這樣可以 剔除部分由噪聲影響而產(chǎn)生的峰值位置信息。(5)結合五個尺度小波分析得到波形數(shù)據(jù)起止波峰位置。不同尺度下峰值的位置 如圖5-9，由于不同高斯小波基對波形刻畫的細致程度不一樣σ越小細節(jié)刻畫越細致，反 之細節(jié)刻畫的細致程度降低，但對整體波形的宏觀刻畫會提高。對五個尺度的篩選結果同 時進行搜索，記錄出現(xiàn)第一個峰值的位置。由于同一波形在不同尺度下的峰值信息會有細 微偏差，所以以第一個峰值位置為基準，在其后的一定間隔內(nèi)(3ns)查找是否還有峰值出 現(xiàn)，如果出現(xiàn)峰值，則記錄其峰值位置。將所有記錄下的峰值位置根據(jù)波形對稱性條件進行 篩選，得到最優(yōu)的峰值位置，即開始波形的峰值位置。檢索后面是否再有峰值，如有則波形 判斷為多峰，反之為單峰。單峰情況下無需查找結束波形峰值位置。對于多峰波形則以倒 序查找方式得到結束波形的峰值位置，對于多峰中其他峰值位置的查找，方法同開始波形 波峰位置的查找。(6)在森林覆蓋地區(qū)，利用開始和結束波形的峰值位置間距得到平均樹高，開始和 結束波形的峰值位置如圖10所示(圖中虛線是GLA14產(chǎn)品中起止波峰位置信息，實線是本 發(fā)明得到的起止波峰位置信息)。結合GLA14產(chǎn)品中提供的經(jīng)緯度可以得到不同地區(qū)的植 被平均高度。
權利要求
基于小波分析的激光雷達波形數(shù)據(jù)分解的方法，其特征在于包括以下步驟(1)讀取GLA01波形數(shù)據(jù)，GLA14經(jīng)緯度信息；(2)根據(jù)兩者共同字段進行匹配，對匹配后的結果按照條件進行篩選；(3)將count值轉換成volt值，對轉換后的波形進行濾波處理；(4)利用5個不同尺度的高斯小波基對波形數(shù)據(jù)進行分析，記錄不同尺度下的波峰位置信息；(5)對5個尺度下得到的峰值利用3倍標準差和閾值進行篩選，對波形中的噪聲進行剔除；(6)記錄5個不同尺度下峰值左右波形的對稱性信息，作為后期篩選的一個條件；(7)對5個尺度下的分析結果同時進行搜索，找到第一個記錄峰值位置的信息。搜索其后3個時間間隔內(nèi)是否有峰值位置信息，如有則記錄。對記錄的全部峰值位置信息以第六步中的信息篩選條件進行篩選，得到最優(yōu)的峰值位置，對于查找后面的峰值信息使用相同的方法；(8)根據(jù)上步的處理可以得到起止波的波峰位置，可以得到波形長度，以計算出相關的樹高信息等。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，星載激光雷達波形數(shù)據(jù)去噪處理特征在于利用三次 均值濾波的方式消除了濾波窗口大小的限制問題；在小波分析中利用得到波形的標準差和 噪聲均值作為波形的去噪閾值，將小于閾值的波形振幅賦值為零。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，星載激光雷達波形數(shù)據(jù)小波分析特征在于利用不同 尺度的小波基分析波形數(shù)據(jù)得到不同高斯波形疊加的分析結果；波形處理過程中防止波峰 位置震蕩增加搜索空間。
全文摘要
基于小波分析的星載激光雷達波形數(shù)據(jù)處理方法是一項對地觀測領域的技術，本發(fā)明提出了一種針對星載激光雷達波形數(shù)據(jù)的處理方法，利用小波分析得到不同σ的高斯波形，將不同高斯波疊加得到更符合原始波形的擬合波形。本發(fā)明使用的方法得到原始回波的起止位置，是一種性能可靠的波形處理方法。
文檔編號G01S7/48GK101833087SQ20101017085
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權日2010年5月13日
發(fā)明者唐福鑫, 李利偉, 王成 申請人:王成;唐福鑫;李利偉