對(duì)地觀測激光測高衛(wèi)星高程控制點(diǎn)自動(dòng)提取方法和數(shù)據(jù)處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法，更具體而言涉及一種激光足印影像的云霧量檢測 方法及基于回波波形處理和云霧量檢測的高程控制點(diǎn)自動(dòng)提取方法和對(duì)地觀測激光測高 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，三維地理信息已經(jīng)在數(shù)字地球、城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)等各方面得 到廣泛應(yīng)用。而遙感衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，使航天攝影測量已經(jīng)成為繼航空攝影測量后又 一個(gè)快速獲取三維地理信息的手段，特別是近年來隨著三線陣立體相機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，三 維遙感信息的獲取技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。
[0003] 例如，資源三號(hào)是我國首顆高精度民用立體測圖衛(wèi)星，它的成功發(fā)射和有效應(yīng)用 打破了我國長期以來對(duì)國外高精度衛(wèi)星影像的依賴，產(chǎn)生了巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但由 于光學(xué)立體衛(wèi)星立體測圖方式以及衛(wèi)星姿軌測量精度、相機(jī)畸變等方面的原因，導(dǎo)致其在 無地面控制點(diǎn)的條件下，其高程測量精度還難以滿足高精度測繪的需求。
[0004] 地面控制點(diǎn)GCP(Ground Control Points)是衛(wèi)星遙感影像幾何糾正和地理定位 時(shí)重要的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源。在遙感影像幾何糾正處理過程中，為達(dá)到一定的糾正精度，一定數(shù)量 的地面控制點(diǎn)是必不可少的，通過控制點(diǎn)的物方坐標(biāo)和相應(yīng)的像點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建影像成像模型 并求解模型參數(shù)或?qū)σ延谐上衲Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償求解補(bǔ)償參數(shù)，最終建立成像過程中物方 與像方的正確轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0005]傳統(tǒng)作業(yè)過程中的控制點(diǎn)一般采用全野外測量的模式，需要經(jīng)過"收集已有控制 資料、測區(qū)踏勘、選點(diǎn)埋石、外業(yè)測量、內(nèi)業(yè)整理"等一系列復(fù)雜的工序，雖然隨著GPS-RTK等 先進(jìn)測量技術(shù)的發(fā)展，外業(yè)測量的工作量和復(fù)雜度大大減少，但必要的控制點(diǎn)野外測量工 作仍不可避免。
[0006] 此外，由于衛(wèi)星遙感影像覆蓋范圍大（以資源三號(hào)衛(wèi)星為例，覆蓋范圍為50公里X 50公里），要想獲得均勻分布的地面控制點(diǎn)，通常需要在幾百公里乃至上千平方公里的范圍 內(nèi)施測，其外業(yè)工作量之大、耗費(fèi)人力和物力之巨是不言而喻的。此外，在地震、洪水、泥石 流等自然災(zāi)害多發(fā)區(qū)域或原始森林、沼澤、沙漠等人跡罕至地區(qū)，測量人員常常無法進(jìn)入實(shí) 地進(jìn)行測量。
[0007] 即使控制點(diǎn)是通過人工選取遙感影像和地形圖同名點(diǎn)來獲得，也存在效率低下、 精度難以保障等問題。而對(duì)同一地區(qū)的不同時(shí)相或不同傳感器影像進(jìn)行糾正，又會(huì)出現(xiàn)重 復(fù)選點(diǎn)的情況。
[0008] 地面控制點(diǎn)一般分為：平高控制點(diǎn)、平面控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)。中國專利申請(qǐng) 201310143369.3公開了一種多源異構(gòu)遙感影像控制點(diǎn)自動(dòng)采集方法，能夠從多源異構(gòu)影像 自動(dòng)提取遙感控制影像點(diǎn)（控制點(diǎn)影像片），提高了控制數(shù)據(jù)獲取的效率和精度，但其實(shí)質(zhì) 上仍為一種平面控制點(diǎn)的自動(dòng)采集方法。
[0009]在地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)不足的情況下，衛(wèi)星影像的區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)可以作為精確幾何 定位的一種重要手段。例如，中國發(fā)明專利申請(qǐng)201510191096.9公開了一種基于星載激光 測高數(shù)據(jù)的衛(wèi)星影像立體區(qū)域網(wǎng)平差方法。在該專利申請(qǐng)所公開的方案中，采用星載激光 測高數(shù)據(jù)作為廣義高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫的控制數(shù)據(jù)。
[0010]開展全球測繪，是為保護(hù)我國領(lǐng)土主權(quán)、相關(guān)利益和地理信息安全的必要支撐。衛(wèi) 星遙感技術(shù)在獲取境外地理信息方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，國家測繪地理信息局正圍繞 "一帶一路"、"高鐵走出去"等重大戰(zhàn)略需求，逐步開展全球高精度立體測圖。而進(jìn)行全球高 程控制點(diǎn)的測量與獲取，則是開展全球測繪的重要技術(shù)保障。因此，為順利開展全球測圖相 關(guān)的工作，必須優(yōu)先開展全球高精度控制點(diǎn)的獲取，建立相應(yīng)的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)庫。利用激光測 高衛(wèi)星進(jìn)行全球高程控制點(diǎn)獲取，是在目前衛(wèi)星遙感技術(shù)條件下，一種有效的技術(shù)手段。 [0011]星載激光測高是一種地面點(diǎn)高程測定技術(shù)，它以衛(wèi)星為平臺(tái)，搭載激光測高儀從 空間、時(shí)間對(duì)地球進(jìn)行觀測，高精度、實(shí)時(shí)地測定衛(wèi)星到被測物體之間的距離，并通過數(shù)據(jù) 處理與分析，獲得地球表面的地貌、植被覆蓋情況、海面形態(tài)等信息。國外星載激光測高技 術(shù)發(fā)展迅速，世界主要發(fā)達(dá)國家都在開展星載激光測高儀的研究。例如，美國于2003年發(fā)射 了ICESat衛(wèi)星，其上搭載的地球科學(xué)激光測高儀系統(tǒng)（Geoscience Laser Altimeter SyStem，GLAS)是全球第一個(gè)用于連續(xù)觀測地球的星載激光測距系統(tǒng)，其主要科學(xué)目的是測 量極地冰蓋高程及其變化，云層和氣溶膠的分布特征等。ICESat衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，獲取了 大量高精度的高程數(shù)據(jù)，其激光足印平面精度達(dá)1 〇m量級(jí)，高程精度約15cm。
[0012] 國內(nèi)近年來十分重視星載激光測高研究。自主研發(fā)的探月工程系列衛(wèi)星"嫦娥一 號(hào)"和"嫦娥二號(hào)"衛(wèi)星均搭載了高精度的激光測高儀，獲取了月球表面三維立體影像。除了 "嫦娥"系列衛(wèi)星上搭載激光測高儀外，還沒有用于對(duì)地觀測的激光測高系統(tǒng)，但已經(jīng)列入 后續(xù)對(duì)地觀測激光測高衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃，如1:1萬比例尺的高精度民用立體測圖衛(wèi)星、陸地生 態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星等，均將搭載對(duì)地觀測的激光測高儀。
[0013] 對(duì)地觀測激光測高衛(wèi)星在激光束往返大氣的過程中，會(huì)與大氣分子及氣溶膠產(chǎn)生 散射、折射等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致激光能量出現(xiàn)衰減、回波變形、測距精度下降等問題，其中云特 別是厚云的影響尤為顯著，為了保證激光測距的精度，需要盡量減少云層對(duì)激光測距的影 響，保證獲得的激光測距值有效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一方面，提供了一種激光足印影像的云霧量檢測方法，其 包括:利用大量的含云霧影像進(jìn)行樣本訓(xùn)練，獲得云霧的優(yōu)選灰度閾值及紋理特征值;計(jì)算 整幅足印影像的灰度直方圖，基于所述優(yōu)選灰度閾值初步判斷是否存在云霧，以及云霧的 含量;計(jì)算足印影像的子塊的灰度均值，當(dāng)所述子塊的灰度均值高于第一閾值時(shí)判定含云 霧，當(dāng)所述子塊的灰度均值低于第二閾值時(shí)判定不含云霧;利用灰度共生矩陣計(jì)算灰度均 值處于所述第一閾值和第二閾值之間的影像子塊的紋理特征，與從所述樣本訓(xùn)練獲得的所 述云霧紋理特征值進(jìn)行對(duì)比；統(tǒng)計(jì)被判定為云霧的像素總數(shù)及其在所述整幅足印影像中的 數(shù)量占比，確定云霧量。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光足印影像云霧量檢測方法，可選地，在計(jì)算整幅足印影 像的灰度直方圖時(shí)，對(duì)影像進(jìn)行直方圖均衡化增強(qiáng)處理，均衡化的公式如下：
[0017] 0<rk< l,k = 0,l,2,. . .L-l
[0018] 其中，sk為原圖灰度值為k的像素經(jīng)過變換后的新灰度值;Pr(ri)是灰度值為i的像 素頻率;L是圖像的灰度等級(jí)。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光足印影像云霧量檢測方法，可選地，所述第一閾值時(shí) 235,所述第二閾值是80。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光足印影像云霧量檢測方法，可選地，利用灰度共生矩陣 計(jì)算所述影像子塊的紋理特征時(shí)所考慮的紋理特征包括:角二階矩，同質(zhì)性，對(duì)比度和相關(guān) 性中的一個(gè)或多個(gè)。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面，提供了一種對(duì)地觀測激光測距值有效性評(píng)估方 法，其包括:對(duì)于激光測高衛(wèi)星下傳的經(jīng)解碼后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)幾何改正及初步的波 形處理，根據(jù)幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得激光光斑對(duì)應(yīng)的足印影像，基于硬件參數(shù)和地理坐標(biāo)或者 足印相機(jī)與激光測高儀的初步標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)激光和足印影像的基本配準(zhǔn);確定所獲得的與激 光光斑對(duì)應(yīng)的足印影像的中心點(diǎn)位置，并確定足印影像中激光光斑對(duì)應(yīng)的面積;將確定的 影像進(jìn)行裁剪或存入內(nèi)存中形成足印影像塊;采用前述的云霧量檢測方法，對(duì)所述足印影 像塊進(jìn)行云霧量檢測，獲得足印影像塊的云霧量值;基于所述云霧量值判斷所述足印影像 塊的激光測距值的有效性或可用性。
[0022] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的又一方面，提供了一種激光高程控制點(diǎn)提取方法，其包括： 采用前述的對(duì)地觀測激光測距值有效性評(píng)估方法，保留判定為無云的足印影像塊，剔除掉 判定為薄云或厚云的足印影像塊的激光高程數(shù)據(jù)；以激光足印點(diǎn)的反射率ε〈1作為篩選參 數(shù)，篩選所述保留的足印影像塊的激光足印點(diǎn)，其中，
\選擇回波波形中僅有 一個(gè)波峰、峰值大于閾值且波形擬合后的標(biāo)準(zhǔn)偏差3.2ns的激光足印點(diǎn)，其中，用于確定 所述閾值的參數(shù)包括激光器的發(fā)射能量和接收口徑。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光高程控