ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite 2)卫星激光雷达数据被广泛应用于地形地貌测绘、森林监测、水域监测等多个领域。当ICESat-2飞越海面时,可以检测到被海面反射回的微弱光子信号,其反映了海面的起伏状态,但同时也包含...ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite 2)卫星激光雷达数据被广泛应用于地形地貌测绘、森林监测、水域监测等多个领域。当ICESat-2飞越海面时,可以检测到被海面反射回的微弱光子信号,其反映了海面的起伏状态,但同时也包含了设备噪声、大气颗粒散射噪声、背景干扰噪声等大量噪声光子。本研究提出了一种新的海面信号光子提取和海浪要素反演方法,首先将原始ICESat-2数据沿垂直方向均匀分段,统计各段内光子数,对其进行高斯拟合和迭代中值滤波,确定精确的海面光子上下界,从而提取出海面信号光子。进一步采用支持向量回归拟合,提取瞬时海面轮廓。在此基础上,利用频谱分析方法计算出有效波高和初步海浪峰值波长,通过对同步的强弱激光束相位相干分析,估算海浪波向,并修正海浪峰值波长和计算海浪峰值周期。对来自好望角和萨摩亚海域的24条轨道ICESat-2数据进行海面光子提取和海浪要素反演,并将结果与ERA5再分析数据进行对比验证。结果表明,海浪有效波高、波向和峰值周期的均方根误差(RMSE)分别为0.12 m、28.58°和0.48 s,表明该方法具有较高的海浪要素反演精度,具备进一步探索更大范围激光雷达数据海浪要素提取和分析的潜力。展开更多
ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形...ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性,本文首先选取了六种地表覆盖类型(城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川)及不同观测条件的数据,对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明:白天观测数据的背景光子率平均为106(点/秒)数量级,远高于夜晚观测数据的背景光子率——104(点/秒)数量级,弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当,六种地表覆盖类型中,冰盖/冰川的背景光子率最高。然后,根据统计结果筛选出21组测高数据,并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验,分析精度后得出结论:改进局部密度法的去噪效果最佳,算法召回率、精准度和F值均大于0.90,算法较为稳定。最后,对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析,可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。展开更多
光子计数激光雷达采用单光子探测器,受背景环境、目标特征和仪器性能等因素的影响,在记录目标散射/反射回波信号的同时还记录了大量的背景噪声。为实现海量光子点云中地物信号光子的高精准识别,本文提出利用两级体素的光子点云自适应降...光子计数激光雷达采用单光子探测器,受背景环境、目标特征和仪器性能等因素的影响,在记录目标散射/反射回波信号的同时还记录了大量的背景噪声。为实现海量光子点云中地物信号光子的高精准识别,本文提出利用两级体素的光子点云自适应降噪方法,包括:1)利用光子点云的空间分布特征构建大尺度的体素,结合体素的密度属性筛选包含密集信号光子点云的体素,实现光子点云的粗降噪;2)基于最近邻距离建立粗降噪后光子点云的小尺度体素,并利用拓扑关系进一步提取聚集于地物表面的信号光子。以Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2/Advanced Topographic Laser Altimeter System(ICESat-2/ATLAS)获取白昼与夜晚光子点云的ATL03级数据为实验数据,将提出方法与改进Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise(DBSCAN)、改进Ordering points to identify the clustering structure(OPTICS)以及ATL08级数据产品进行比较分析。结果表明,该方法具有最优的性能表现,其平均精度(P)、召回率(R)和F1分数(F1)分别达到0.98、0.97和0.98。展开更多
文摘ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite 2)卫星激光雷达数据被广泛应用于地形地貌测绘、森林监测、水域监测等多个领域。当ICESat-2飞越海面时,可以检测到被海面反射回的微弱光子信号,其反映了海面的起伏状态,但同时也包含了设备噪声、大气颗粒散射噪声、背景干扰噪声等大量噪声光子。本研究提出了一种新的海面信号光子提取和海浪要素反演方法,首先将原始ICESat-2数据沿垂直方向均匀分段,统计各段内光子数,对其进行高斯拟合和迭代中值滤波,确定精确的海面光子上下界,从而提取出海面信号光子。进一步采用支持向量回归拟合,提取瞬时海面轮廓。在此基础上,利用频谱分析方法计算出有效波高和初步海浪峰值波长,通过对同步的强弱激光束相位相干分析,估算海浪波向,并修正海浪峰值波长和计算海浪峰值周期。对来自好望角和萨摩亚海域的24条轨道ICESat-2数据进行海面光子提取和海浪要素反演,并将结果与ERA5再分析数据进行对比验证。结果表明,海浪有效波高、波向和峰值周期的均方根误差(RMSE)分别为0.12 m、28.58°和0.48 s,表明该方法具有较高的海浪要素反演精度,具备进一步探索更大范围激光雷达数据海浪要素提取和分析的潜力。
文摘ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性,本文首先选取了六种地表覆盖类型(城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川)及不同观测条件的数据,对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明:白天观测数据的背景光子率平均为106(点/秒)数量级,远高于夜晚观测数据的背景光子率——104(点/秒)数量级,弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当,六种地表覆盖类型中,冰盖/冰川的背景光子率最高。然后,根据统计结果筛选出21组测高数据,并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验,分析精度后得出结论:改进局部密度法的去噪效果最佳,算法召回率、精准度和F值均大于0.90,算法较为稳定。最后,对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析,可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。
文摘光子计数激光雷达采用单光子探测器,受背景环境、目标特征和仪器性能等因素的影响,在记录目标散射/反射回波信号的同时还记录了大量的背景噪声。为实现海量光子点云中地物信号光子的高精准识别,本文提出利用两级体素的光子点云自适应降噪方法,包括:1)利用光子点云的空间分布特征构建大尺度的体素,结合体素的密度属性筛选包含密集信号光子点云的体素,实现光子点云的粗降噪;2)基于最近邻距离建立粗降噪后光子点云的小尺度体素,并利用拓扑关系进一步提取聚集于地物表面的信号光子。以Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2/Advanced Topographic Laser Altimeter System(ICESat-2/ATLAS)获取白昼与夜晚光子点云的ATL03级数据为实验数据,将提出方法与改进Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise(DBSCAN)、改进Ordering points to identify the clustering structure(OPTICS)以及ATL08级数据产品进行比较分析。结果表明,该方法具有最优的性能表现,其平均精度(P)、召回率(R)和F1分数(F1)分别达到0.98、0.97和0.98。
