一种顾及冰川形态的ICESat-2光子去噪方法技术

本发明专利技术公开了一种顾及冰川形态的ICESat

【技术实现步骤摘要】
一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法


[0001]本专利技术属于星载激光雷达光子点云处理领域，具体涉及一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法。

技术介绍

[0002]激光测高卫星ICESat
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2（The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite
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2）搭载了先进地形激光测高系统（Advanced Topography Laser Altimeter System，ATLAS），使用了全新的微脉冲多波束光子计数激光雷达，可以捕获三维高精度和高密度的光子点云。这项任务的一个主要科学目标是监测冰冻圈的表面形态及其变化。ATL03为全球地理定位光子数据产品，在晴朗的大气条件下，沿轨分辨率可达0.7米，为测量细小的冰川表面形态提供了前所未有的机会，如小裂隙、冰川湖泊等。然而，光子计数激光雷达拥有较高的灵敏度，容易受到太阳背景噪声、大气散射和仪器暗计数的影响，导致ATL03数据产品包含大量的噪声光子，且噪声光子在空间中随机广泛分布，很难从回波信号光子中剔除。因此，有必要进一步开发去噪方法，以便从ATL03数据产品中检索出具有高分辨率的冰川表面光子。
[0003]现有去噪方法基本假设目标表面光子密度比背景噪声密度大，以此提取目标表面光子。这些方法在强信噪比和简单形态区域质量较高，而在复杂形态（如表面裂隙）和低信噪比处理方面的稳健性和质量均还有待提高。此外，现有的去噪算法不能有效滤除信号光子附近的噪声光子。根据原始光子数据分布特点，我们发现：除了光子密度外，在局部空间分布上还存在其他差异，如冰川表面空间连续、密度尺度差异及方向变化等，对其深入挖掘将有助于提高光子去噪质量和适应能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术中存在的复杂形态区域光子去噪困难问题，提供一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法。利用本专利技术可以最大限度的剔除附着在地表附近的噪声光子，且可以较为完整的保留复杂形态区域的信号光子，有助于在冰川变化过程的研究中提供高分辨率的表面特征，同时也为未受扰动的冰面提供了表面高度，为评估冰盖范围内的表面高程变化和质量变化提供了基础。
[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法，包括以下步骤：步骤1、计算每个光子的K近邻距离；步骤2、选定当前中心光子，使用基于圆的邻域进行多尺度RANSAC线性拟合；步骤3、确定当前中心光子的最佳的圆邻域尺度以及椭圆邻域的长轴大小和方向；步骤4、计算当前光子中心点的连续性密度；步骤5、计算当前光子中心点的相似性密度；步骤6、根据连续性密度和相似性密度计算混合加权密度；步骤7、将沿轨光子分成不相交的沿轨区段；
步骤8、对每个沿轨区段的光子高程进行直方图统计，提取候选信号光子的海拔区间；步骤9、根据区段内的归一化混合加权密度平均值确定自适应密度阈值；步骤10、根据自适应密度阈值将信号光子与噪声光子进行分离。
[0006]如上所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1、将多尺度的集合设为，其中，为各个尺度，且每个尺度都对应着一个圆的半径，以每一个光子作为当前中心光子，搜索各个尺度下圆邻域内的光子；步骤2.2、利用高斯混合模型以光子的K近邻距离为分类依据对当前中心光子每个尺度的邻域光子进行初步分类，以获得每个尺度下可能的信号光子集合；步骤2.3、使用RANSAC算法对当前中心光子每个尺度下可能的信号光子进行RANSAC线性拟合，得到当前中心光子在每个尺度下的方向、RANSAC拟合线以及内点集合。
[0007]如上所述步骤3包括以下步骤：最佳圆邻域尺度为步骤2中每个尺度下RANSAC拟合得到的内点数量与可能的信号光子数量之比的最大值对应的圆邻域尺度；若当前中心光子在步骤2中得到的内点集合中，则被判定为RANSAC线性拟合有效，椭圆长轴大小为，椭圆长轴方向为当前中心光子在最佳圆邻域尺度下的方向，椭圆短轴为设定的固定值；若当前中心光子不在步骤2中得到的内点集合，则被判定为RANSAC线性拟合无效，椭圆长轴方向被定义为水平向，椭圆长轴大小为设定的固定值，椭圆短轴为设定的固定值。
[0008]如上所述步骤4包括以下步骤：当RANSAC线性拟合有效时，根据椭圆邻域内光子到RANSAC拟合线的距离分配连续性权重；当RANSAC线性拟合无效时，光子的连续性权重分配为零，统计椭圆邻域中所有光子点的连续性权重之和作为当前光子中心点的连续性密度。
[0009]如上所述步骤5包括以下步骤：步骤5.1、为当前中心光子的椭圆邻域内的光子分配相似性权重：为椭圆邻域内的光子搜索个最近的光子；计算椭圆邻域内的光子与其个最近的光子之间的距离的平均值作为光子间距；评估椭圆邻域内的光子和当前中心光子之间的光子间距之差，为椭圆邻域内的光子分配一个相似性权重；步骤5.2、统计椭圆邻域中所有光子点的相似性权重之和作为当前光子中心点的相似性密度。
[0010]如上所述步骤6中的混合加权密度基于以下公式获得：
式中：和分别是连续性密度系数和相似性密度系数，为连续性密度，为相似性密度，为当前中心光子的椭圆邻域的椭圆长轴，为当前中心光子的椭圆邻域的椭圆短轴，是当前中心光子的归一化混合加权密度。
[0011]如上所述步骤8中候选信号光子的海拔区间为，其中，为光子高程直方图最大频率区间的最小高程值，为光子高程直方图最大频率区间的最大高程值，为扩展值。
[0012]如上所述步骤9中自适应密度阈值基于以下公式：式中：为自适应密度阈值，为区段内的归一化混合加权密度平均值，为密度校正值，为区段内的RANSAC线性拟合的有效拟合比例，为RANSAC线性拟合的有效拟合比例阈值。
[0013]如上所述步骤4中椭圆邻域内光子的连续性权重基于以下公式获得：式中：为椭圆邻域内光子的连续性权重，为第一高斯核函数标准差，为光子到RANSAC拟合线的距离，是RANSAC线性拟合的有效拟合指标，若能有效拟合，则，若为无效拟合，则。
[0014]如上所述步骤5中椭圆邻域内光子的相似性权重基于以下公式获得：其中，为椭圆邻域内光子的相似性权重，为第二高斯核函数标准差，为椭圆邻域内的光子与当前中心光子的空间分布差异。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
（1）高精度性：本专利技术通过多尺度RANSAC确定光子点的最佳椭圆邻域，并采用一维高斯核进行连续性密度、相似性密度以及混合密度的估算，更好的解决了冰川形态尺度不一、方向变化等因素导致附着在地表附近的噪声光子密度与信号光子密度相似而难以分离的问题，能够有效提高信号光子的提取质量，进而服务于冰川表面高程探测；（2）实用性：本专利技术可以实现不同冰川地貌形态的高精度光子去噪，且可以获取大多数场景的地表坡度变化，为表面裂隙三维特征的提取提供基础。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、计算每个光子的K近邻距离；步骤2、选定当前中心光子，使用基于圆的邻域进行多尺度RANSAC线性拟合；步骤3、确定当前中心光子的最佳的圆邻域尺度以及椭圆邻域的长轴大小和方向；步骤4、计算当前光子中心点的连续性密度；步骤5、计算当前光子中心点的相似性密度；步骤6、根据连续性密度和相似性密度计算混合加权密度；步骤7、将沿轨光子分成不相交的沿轨区段；步骤8、对每个沿轨区段的光子高程进行直方图统计，提取候选信号光子的海拔区间；步骤9、根据区段内的归一化混合加权密度平均值确定自适应密度阈值；步骤10、根据自适应密度阈值将信号光子与噪声光子进行分离。2.根据权利要求1所述一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤2.1、将多尺度的集合设为，其中，为各个尺度，且每个尺度都对应着一个圆的半径，以每一个光子作为当前中心光子，搜索各个尺度下圆邻域内的光子；步骤2.2、利用高斯混合模型以光子的K近邻距离为分类依据对当前中心光子每个尺度的邻域光子进行初步分类，以获得每个尺度下可能的信号光子集合；步骤2.3、使用RANSAC算法对当前中心光子每个尺度下可能的信号光子进行RANSAC线性拟合，得到当前中心光子在每个尺度下的方向、RANSAC拟合线以及内点集合。3.根据权利要求2所述一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：最佳圆邻域尺度为步骤2中每个尺度下RANSAC拟合得到的内点数量与可能的信号光子数量之比的最大值对应的圆邻域尺度；若当前中心光子在步骤2中得到的内点集合中，则被判定为RANSAC线性拟合有效，椭圆长轴大小为，椭圆长轴方向为当前中心光子在最佳圆邻域尺度下的方向，椭圆短轴为设定的固定值；若当前中心光子不在步骤2中得到的内点集合，则被判定为RANSAC线性拟合无效，椭圆长轴方向被定义为水平向，椭圆长轴大小为设定的固定值，椭圆短轴为设定的固定值。4.根据权利要求3所述一种顾及冰川形态的ICESat
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2光子去噪方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：当RANSAC线性拟合有效时，根据椭圆邻域内光子到RANSAC拟合线的距离分配连续性权重；当RANSAC线性拟合无效时，光子的连续性权重分配为零，统...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄荣刚，常瑞杰，江利明，张文典，汪汉胜，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：