一种月球永久阴影区域地形测绘方法技术

本发明专利技术涉及一种月球永久阴影区域地形测绘方法，包括：步骤S1、对月球轨道器激光高度计LOLA的每个激光剖面在其接受视场范围内进行定步长调整，以单轨激光数据邻域内其余的激光观测值作为约束，最小化插值高程和观测高程差值的加权均方根误差RMSE，实现激光剖面的逐轨自约束调整；步骤S2、将调整后的激光剖面更新为初始状态数据进行迭代，不断收敛平面位置调整值；步骤S3、对迭代调整后的激光数据进行异常值剔除，得到误差修正后的月球激光测高数据；步骤S4、基于误差修正后的月球激光测高数据，得到表征月球永久阴影区域三维地形的数字高程模型。与现有技术相比，本发明专利技术消除了以消除原始图像中大量的地形伪影，提高了月球永久阴影区域地形测绘的质量。阴影区域地形测绘的质量。阴影区域地形测绘的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种月球永久阴影区域地形测绘方法


[0001]本专利技术涉及月球测绘
，尤其是涉及一种月球永久阴影区域地形测绘方法。

技术介绍

[0002]由于月球自转轴的微小倾斜，阳光很难直接到达月球极地的某些区域，这些区域被称为永久阴影区(PSRs)。月球激光高度计能够实现月球地形精细测绘，尤其对月球永久阴影区域(PSRs)具备主动测绘的优势，这为着陆选址、着陆器当行和水冰探测等行星探测任务提供基础地形数据。然而，航天器轨道控制、激光指向和硬件故障等多种因素会导致激光光斑地理位置的不确定性，这会使激光数据存在误差，三维地形产品出现大量伪影。美国国家宇航局(NASA)发布的月球轨道器激光高度计(LOLA)数据作为截止目前月球上最高精度的激光测高数据，也存在上述问题。
[0003]数字高程模型(DEM)能够反映月表三维地形，是月球实地勘探的基础和关键，它可以帮助人类和巡视器清楚地看到周围环境并识别重要特征，为勘探任务规划和决策提供参考。与使用太阳作为光源的光学遥感不同，激光成像不依赖于外部光，可以利用自身的光源测绘PSRs地形。
[0004]因此，月球轨道器几乎都配备了用于高精度地形测绘和月表控制的激光载荷。虽然激光观测本身具有精度高的优势，但由于轨道重建质量和激光指向偏差等因素的不确定性导致激光测量存在误差，并且这些误差可以直接映射到高分辨率地形产品中，呈现出与激光足印轨迹一致分布的地形伪影。因此，激光足印的地理定位校准对于激光高精度测绘尤为重要。
[0005]修正激光足印的地理定位误差的方法有交叉轨法。交叉轨主要是通过最小化不同轨激光观测数据间在交叉点的距离对激光足印位置的调整；直接测高法是基于先验的高精度地形数据，将每一次的激光观测与先验地形最佳匹配，从而达到修正误差的目的。但对于月球激光测高数据而言，LOLA作为目前最高精度的月表观测数据，无法获取到比其更高精度的先验地形数据；并且交叉轨的方法对于密集观测极区交叉点的计算量大，并且几何约束弱。
[0006]Barker等人利用缩减LOLA DEM作为参考地形数据，以自约束的方式改进了LOLA DEM产品，但是，该方法在分批调整激光剖面时，会用所有剩余点的生成缩减DEM，这使得远离目标剖面的区域在利用激光点构建DEM时耗时且冗余。此外，如果同一批激光剖面空间分布十分密集，则剩余作为生成参考DEM的点非常稀疏，因此会导致生成的缩减DEM误差较大。
[0007]针对上述问题，亟需设计一种新的月球永久阴影区域地形测绘方法来修正激光点的误差，从而精确绘制永久阴影区域三维地形，以消除原始产品中大量的地形伪影。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种月球永久阴
影区域地形测绘方法，该方法最大程度上消除了地理定位误差，同时剔除了异常点，从而消除大量地形伪影。
[0009]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010]本专利技术提供了一种月球永久阴影区域地形测绘方法，该方法包括：
[0011]步骤S1、对月球轨道器激光高度计LOLA的每个激光剖面在其接受视场范围内进行定步长调整，以单轨激光数据邻域内其余的激光观测值作为约束，最小化插值高程和观测高程差值的加权均方根误差RMSE，实现激光剖面的逐轨自约束调整；
[0012]步骤S2、将调整后的激光剖面更新为初始状态数据进行迭代，不断收敛平面位置调整值；
[0013]步骤S3、对迭代调整后的激光数据进行异常值剔除，得到误差修正后的月球激光测高数据；
[0014]步骤S4、基于误差修正后的月球激光测高数据，得到表征月球永久阴影区域三维地形的数字高程模型DEM。
[0015]优选地，所述步骤S1包括以下子步骤：
[0016]步骤S101、对LOLA激光点进行数据预处理；
[0017]步骤S102、选取单轨RDR数据作为目标剖面T，根据其分布范围，各方向向外扩展k1米，从剩余激光点中裁剪出作为参考地形数据的参考激光点集R；
[0018]步骤S103、以参考激光点集R生成用于进行最近邻搜索的KD树；
[0019]步骤S104、建立半径为k2米的预设调整区域，调整目标剖面；
[0020]步骤S105、采用反距离权重插值，根据k3米范围内的最近邻k4个点，插值出每次调整位置后的高程值z
interp
；
[0021]步骤S106、根据目标剖面T的实际观测高程值与插值高程值z
interp
计算加权的均方根误差RMSE，表达式为：
[0022][0023]其中，v为高程差，p采用Huber权函数；
[0024]步骤S107、完成预设调整区域内的每一步调整，记录最小的RMSE值对应的平面位置调整值(Δx,Δy)以及高程差v
T
，更新目标剖面T的平面坐标(x
T
,y
T
,z
T
)，表达式为：
[0025][0026]其中，(x0,y0,z0)为原始平面坐标，Δz为v
T
的加权平均值；
[0027]步骤S108、完成当前单个目标剖面T调整后，进行下一个激光剖面的自约束迭代调整。
[0028]优选地，所述步骤S101中数据预处理包括噪声剔除、投影变换以及逐轨存储。
[0029]优选地，所述步骤S104具体为：基于极地投影坐标系与以延轨和垂轨方向的局部坐标系之间的转换关系，分别在垂轨和延轨方向以步长k5调整目标剖面T，坐标转换表达式为：
[0030][0031]式中，θ为激光剖面T与极地投影坐标系x轴的夹角，x
aC
、y
aC
是在局部坐标系下的坐标，x
SP
、y
SP
为激光点在极地投影系下的坐标。
[0032]优选地，所述k1、k2、k3、k4和k5分别设置为150、50、100、10和2.5。
[0033]优选地，所述步骤S106中加权的均方根误差RMSE表达式为：
[0034][0035]其中，v为高程差，p采用Huber权函数，n为激光点数量。
[0036]优选地，所述步骤S3具体为：构建标准化去趋势坡度图和残差统计量，剔除伪地形观测的异常值。
[0037]优选地，所述步骤S3包括以下子步骤：
[0038]步骤S301、利用调整后的激光点生成预设分辨率的坡度图，采用预设像素窗口大小进行中值滤波处理后，计算每个点对应的去趋势坡度S：
[0039]S＝S1‑
S2[0040]式中，S1，S2分别为每个点的局部坡度和滤波坡度；
[0041]步骤S302、采用粗糙度R对去趋势坡度S标准化，构建统计量δ1：
[0042]δ1＝S/R＝(S1‑
S2)/R
[0043]步骤S303、计算自约束迭代调整过程中最后一轮调整后得到的高程差v的绝对中位差MAD，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种月球永久阴影区域地形测绘方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1、对月球轨道器激光高度计LOLA的每个激光剖面在其接受视场范围内进行定步长调整，以单轨激光数据邻域内其余的激光观测值作为约束，最小化插值高程和观测高程差值的加权均方根误差RMSE，实现激光剖面的逐轨自约束调整；步骤S2、将调整后的激光剖面更新为初始状态数据进行迭代，不断收敛平面位置调整值；步骤S3、对迭代调整后的激光数据进行异常值剔除，得到误差修正后的月球激光测高数据；步骤S4、基于误差修正后的月球激光测高数据，得到表征月球永久阴影区域三维地形的数字高程模型。2.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区域地形测绘方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下子步骤：步骤S101、对LOLA激光点进行数据预处理；步骤S102、选取单轨RDR数据作为目标剖面T，根据其分布范围，各方向向外扩展k1米，从剩余激光点中裁剪出作为参考地形数据的参考激光点集R；步骤S103、以参考激光点集R生成用于进行最近邻搜索的KD树；步骤S104、建立半径为k2米的预设调整区域，调整目标剖面；步骤S105、采用反距离权重插值，根据k3米范围内的最近邻k4个点，插值出每次调整位置后的高程值z
interp
；步骤S106、根据目标剖面T的实际观测高程值与插值高程值z
interp
计算加权的均方根误差RMSE，表达式为：其中，v为高程差，p采用Huber权函数；步骤S107、完成预设调整区域内的每一步调整，记录最小的RMSE值对应的平面位置调整值(Δx，Δy)以及高程差v
T
，更新目标剖面T的平面坐标(x
T
，y
T
，z
T
)，表达式为：其中，(x0，y0，z0)为原始平面坐标，Δz为v
T
的加权平均值；步骤S108、完成当前单个目标剖面T调整后，进行下一个激光剖面的自约束迭代调整。3.根据权利要求2所述的一种月球永久阴影区域地形测绘方法，其特征在于，所述步骤S101中数据预处理包括噪声剔除、投...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢欢，刘小帅，童小华，徐聿升，叶真，刘世杰，李新，李彬彬，徐琪，郭亚磊，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：