一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法技术

本发明专利技术公开了一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，包括：选取ATL08地形点连续的强光束条带，利用其ATL08地形点拟合生成沿轨地表剖面线；以强光束条带中每个ATL08地形点为中心，分别创建对应的局部带状缓冲区；针对每个缓冲区均统计其内ATL03光子点的高度距离拟合地表高程差值的ATL03光子点数量分布情况，并采用高斯核密度估计方法生成对应的密度分布曲线，记为光子分布伪波形；根据光子分布伪波形的形态特征将ATL08地形点划分等级，分别对应平原浅植被覆盖区域、植被密度不均地区、标准林区以及误差点区域。本发明专利技术仅依靠星载激光雷达自身数据源，去除对外源数据的依附性，提高地形控制点的筛选效率。提高地形控制点的筛选效率。提高地形控制点的筛选效率。

【技术实现步骤摘要】
一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法


[0001]本专利技术属于地理测绘
，具体涉及一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法。

技术介绍

[0002]地形控制点是测绘、遥感、地理信息等数字产品生产过程中的重要数据支撑，可用于DEM的精度提升，InSAR数据的辅助校正、以及遥感影像的制图配准等。随着全球地理信息资源建设进度的逐步推进，建设和维护高精度的全球控制点数据库已成为当前的重要任务。因此，对地形控制点的精度、覆盖范围和生产更新速度提出了更高要求。
[0003]ICESat
‑
2星载激光雷达卫星具备全天候，无地域限制等观测优点，可用于全球范围内地形控制点的获取。但其观测精度容易受到地形，植被覆盖，卫星轨道姿态以及大气条件等不同因素的干扰，因此ICESat
‑
2获取的地形控制点中也难免存在部分粗差，对于平原地区，地形点的精度一般可以达到1m左右，而对于林区山地区域，部分地形点的误差可达到米级，这对ICESat
‑
2地形数据的应用带来了困难。
[0004]ICESat
‑
2地形测量误差的主要来源并不在于传感器的系统误差，而在于是否有足够多的光子点到达地面并返回被传感器接收，以及接收到的光子是否被系统准确分类。平原地区地势平坦，地表以上纵向植被分布密度适中，因此ICESat
‑
2表现出较好的观测水平；但对于林区山地，光子穿透冠层、灌木从后仅余少量光子能够到达地面，此时再受坡度反射的影响，能够返回传感器的光子所剩无几。因此，如何解决林区山地区域内筛选高精度地形点是目前ICESat
‑
2地形数据应用的主要挑战。
[0005]目前，筛选ATL08地形点的方法主要为两类：直接阈值法和机器学习模型法。直接模型法的主要思路是先利用外部DEM数据粗筛选，然后再结合属性参数进行细筛选，该方法简单直接，结果精度较高但保留率较低，且其所设阈值不能针对性地解决林区山地数据的误差来源。机器学习法广泛地考虑了各种属性参数的影响，通过建立分类模型定性判断点位误差从而实现误差量级的控制，但模型的性能难免取决于样本的质量和数量，在未进行大范围的数据测试前，泛化模型后能否取得较好的效果仍取决于其内部所建立的非线性关系，这种关系是否具备普遍有效性仍有待证明。此外，上述两种方法均使用到了外部数据参与评估。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，去除对外源数据的依附性，从而简化筛选流程和难度，提高地形控制点的筛选效率。
[0007]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，包括：
[0009]步骤1，选取ATL08地形点连续的强光束条带，利用其ATL08地形点进行样条函数拟合，生成沿轨地表剖面线；
[0010]步骤2，以强光束条带中每个ATL08地形点为中心，分别创建对应的局部带状缓冲区；
[0011]步骤3，针对每个局部带状缓冲区，统计其内ATL03光子点的高度距离拟合地表高程差值的ATL03光子点数量分布情况，并采用高斯核密度估计方法生成对应的密度分布曲线，记为光子分布伪波形；
[0012]步骤4，根据光子分布伪波形的形态特征，将对应ATL08地形点进行等级划分，总共4个等级分别对应平原浅植被覆盖区域、植被密度不均地区、标准林区以及误差点区域。
[0013]进一步地，在选取强光束条带时，判断每预设沿轨距离内的ATL08地形点数量是否大于预设数量阈值，若大于则判定该条带中的ATL08地形点连续。
[0014]进一步地，步骤1中进行样条函数拟合生成沿轨地表剖面线的方法为：
[0015]步骤A1，以条带中起始的ATL08地形点作为起点，计算条带中每个ATL08地形点的沿轨距离；
[0016]步骤A2，采用基于B样条函数的插值方式，将所有ATL08地形点基于沿轨距离的基函数进行线性组合，得到沿轨地表剖面线；表示为：
[0017][0018]式中，S(x)为样条插值函数，即为沿轨地表剖面线的函数表达式；x为地形点的沿轨距离；c
i
为拟合待求系数；i表示从起始ATL08地形点计数情况下的地形点序号，n为当前计算条带中除起始点以外的ATL08地形点的数量；B
i,k
(x)为第i个ATL08地形点的k
‑
1阶基函数，其递归定义式为：
[0019][0020][0021]步骤A3，求解如下线性方程组得到各待求系数c
i
：
[0022]B
T
MBc＝B
T
y
[0023]式中：
[0024]B是n+k
‑
1阶的B样条基函数矩阵，其中元素B
ij
为：
[0025]B
ij
＝B
i,k
(x
j
),i＝0,1,
…
,n+k
‑
2,j＝0,1,
…
,n
[0026]M是一个对称的正定矩阵；
[0027]c是所有待求系数c0,c1,
…
,c
n
构成的系数向量，即c＝[c0,c1,
…
,c
n
]T
；
[0028]y是各ATL08地形点的高度数据作为插值数据的纵坐标向量，即y＝[y0,y1,
…
,y
n
]T
。
[0029]进一步地，在步骤A3求解系数向量c时，增加如下约束条件以控制拟合所得沿轨地表剖面线的光滑度；增加约束条件为：
[0030][0031]式中，x
i
和y
i
分别对应各ATL08地形点的沿轨距离和高度，w
i
为各ATL08地形点作为
待插值点的权重；s为光滑因子，其取值越大则拟合线条越光滑，越容易丢失地形细节。
[0032]进一步地，步骤2建立局部带状缓冲区B表示为：
[0033]B＝{(l,h)|L
08
‑
d≤l≤L
08
+d,Y
‑
w≤h≤Y+w}
[0034]Y＝S(L
03
)
[0035]其中：(l,h)为缓冲区B内的各点坐标，l,h分别为沿轨距离和高度：d为沿轨方向的缓冲距离，w为以拟合沿轨地表剖面线起算的缓冲距离；L
08
为当前计算ATL08地形点的沿轨距离；L
03
为ATL03光子点的沿轨距离，Y为采用沿轨地表剖面线计算得到的高度。
[0036]进一步地，步骤3中，将某个局部带状缓冲区内沿轨距离x处的ATL03光子点的高度h
03
(x)距离拟合地表高程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在于，包括：步骤1，选取ATL08地形点连续的强光束条带，利用其ATL08地形点进行样条函数拟合，生成沿轨地表剖面线；步骤2，以强光束条带中每个ATL08地形点为中心，分别创建对应的局部带状缓冲区；步骤3，针对每个局部带状缓冲区，统计其内ATL03光子点的高度距离拟合地表高程差值的ATL03光子点数量分布情况，并采用高斯核密度估计方法生成对应的密度分布曲线，记为光子分布伪波形；步骤4，根据光子分布伪波形的形态特征，将对应ATL08地形点进行等级划分，总共4个等级分别对应平原浅植被覆盖区域、植被密度不均地区、标准林区以及误差点区域。2.根据权利要求1所述的去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在于，在选取强光束条带时，判断每预设沿轨距离内的ATL08地形点数量是否大于预设数量阈值，若大于则判定该条带中的ATL08地形点连续。3.根据权利要求1所述的去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在于，步骤1中进行样条函数拟合生成沿轨地表剖面线的方法为：步骤A1，以条带中起始的ATL08地形点作为起点，计算条带中每个ATL08地形点的沿轨距离；步骤A2，采用基于B样条函数的插值方式，将所有ATL08地形点基于沿轨距离的基函数进行线性组合，得到沿轨地表剖面线；表示为：式中，S(x)为样条插值函数，即为沿轨地表剖面线的函数表达式；x为地形点的沿轨距离；c
i
为拟合待求系数；i表示从起始ATL08地形点计数情况下的地形点序号，n为当前计算条带中除起始点以外的ATL08地形点的数量；B
i,k
(x)为第i个ATL08地形点的k
‑
1阶基函数，其递归定义式为：其递归定义式为：步骤A3，求解如下线性方程组得到各待求系数c
i
：B
T
MBc＝B
T
y式中：B是n+k
‑
1阶的B样条基函数矩阵，其中元素B
ij
为：B
ij
＝B
i，k
(x
j
)，i＝0，1，...，n+k
‑
2，j＝0，1，...，nM是一个对称的正定矩阵；c是所有待求系数c0，c1，...，c
n
构成的系数向量，即c＝[c0，c1，...，c
n
]
T
；y是各ATL08地形点的高度数据作为插值数据的纵坐标向量，即y＝[y0，y1，...，y
n
]
T
。4.根据权利要求3所述的去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在
于，在步骤A3求解系数向量c时，增加如下约束条件以控制拟合所得沿轨地表剖面线的光滑度；增加约束条件为：式中，x
i
和y
i
分别对应各ATL08地形点的沿轨距离和高度，w
i
为各ATL08地形点作为待插值点的权重；s为光滑因子，其取值越大则拟合线条越光滑，越容易丢失地形细节。5.根据权利要求1所述的去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在于，步骤2建立局部带状缓冲区B表示为：B＝{(l，h)|L
08
‑
d≤l≤L
08
+d，Y
‑
w≤h≤Y+w}Y＝S(L
03
)其中：(l，h)为缓冲区B内的各点坐标，l，h分别为沿轨距离和高度：d为沿轨方向的缓冲距离，w为以拟合沿轨地表剖面线起算的缓冲距离；L
08
为当前计算ATL08地形点的沿轨距离；L
03
为ATL03光子点的沿轨距离，Y为采用沿轨地表剖面线计算得到的高度。6.根据权利要求1所述的去外源数据的星载激光雷达地形控制点筛选方法，其特征在于，步骤3中，将某个局部带状缓冲区内沿轨距离x处的ATL03光子点的高度h
03
(x)距离拟合地表高程S(x)的差值表示为Δh
j
＝h
03
(x)
‑
S(x)，则统计N个观测样本Δh1，Δh2，...，Δh
N
各自对应的ATL03光子点数量得到高差统计直方图，然后采用高斯核密度估计方法生成对应的密度分布曲线为：式中，表示在差值Δh处的密度估计值；u是平滑参数，又称带宽；d是差值样本的维度，|Δh
‑
Δh
j
|表示待估计差...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵蓉，胡庆，张坤，李毅，
申请(专利权)人：中南林业科技大学，
类型：发明
国别省市：