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一种快速的全波形高光谱激光雷达的反射率光谱曲线重建方法
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作者 邵慧 张胡龙 +4 位作者 戴慧 陈育伟 孙龙 徐恒 李幸运 《雷达学报(中英文)》 北大核心 2025年第3期602-615,共14页
全波形高光谱激光雷达(HSL)在获得高精度、高分辨率的空间数据的同时,还能获得目标的光谱信息,可为不同研究和应用领域提供有效和多维的数据。然而,HSL不同波段发射信号强度存在差异,会导致相应回波信号的差异,难以直接利用回波信号来... 全波形高光谱激光雷达(HSL)在获得高精度、高分辨率的空间数据的同时,还能获得目标的光谱信息,可为不同研究和应用领域提供有效和多维的数据。然而,HSL不同波段发射信号强度存在差异,会导致相应回波信号的差异,难以直接利用回波信号来重建目标在不同波段下准确的光学特性(目标的反射率光谱分布曲线)。以往研究通常利用标准漫反射白板法来获取目标的反射率光谱曲线(标准参照板法)。但在某些复杂的检测环境中白板易受污染,且激光器的发射能量会因环境和设备状态的变化出现波动,进而影响计算精度。因此,从全波形信号本身直接提取信息用于反射率光谱曲线重建是一种快捷的途径。基于此,该文提出一种基于HSL全波形数据的回波强度校正方法,用于快速生成目标的反射率光谱曲线。首先,通过理论分析,证明回波与发射波在形状上的相似性。然后,对HSL全波形的发射信号和回波信号进行偏正态高斯函数拟合,计算各波段在理想情况下标准漫反射白板的发射信号与回波信号峰值比值(归一化因子)。最后,通过结合标准漫反射白板的归一化因子与目标的归一化因子来构建目标的反射率光谱分布曲线。为验证方法的有效性,该文将其与基于标准漫反射板计算的反射率光谱曲线进行了对比实验,并进行木叶分离和目标分类实验以评估其适用性。实验结果表明:(1)利用发射信号校正回波强度,可以获得与标准参照板法相似的反射率光谱曲线。并且在不同温度及光照条件下均表现出良好的稳定性;与标准漫反射白板法相比,该方法有效克服了激光器发射能量波动的影响,尤其在HSL长时间工作条件下,显著提升了反射率光谱曲线的测量精度和一致性。(2)在实际应用中,基于该文方法获得的目标反射率光谱曲线能够快速实现木叶分离,且对果树目标分类准确率超过90%。该文方法简化了全波形高光谱激光雷达的回波强度校正流程,可在数据采集过程中实时快速重建目标高光谱信息。 展开更多
关键词 波形 光谱激光雷达 强度校正 反射率光谱曲线 归一化因子 发射信号 回波信号 偏正态斯函数
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一种适用于古建筑建模的全波形高光谱激光雷达设计与实现 被引量:8
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作者 邵慧 撒贝宁 +5 位作者 李伟 陈育伟 刘璐 陈杰 孙龙 胡玉霞 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第8期187-196,共10页
为了获取古建筑完整的空间结构、历史演进及其健康状态等特征信息,研制了一种全波形的高光谱激光雷达系统(HSL)。该系统同时获得目标的空间三维信息和光谱信息,用于古建筑空间和状态特征的建模。利用超连续谱激光器和声光可调滤波器(AO... 为了获取古建筑完整的空间结构、历史演进及其健康状态等特征信息,研制了一种全波形的高光谱激光雷达系统(HSL)。该系统同时获得目标的空间三维信息和光谱信息,用于古建筑空间和状态特征的建模。利用超连续谱激光器和声光可调滤波器(AOTF)作为发射单元,实现550~1050 nm的连续光谱波长范围内101个光谱通道采样,并利用5 GHz/s高速采集卡完成主波和回波全波形数据采集。设计了静态单点测试和zigzag单点扫描相结合的双模式分步扫描方案,保证三维空间和光谱信息的准确获取。在实验室环境下,对HSL系统反射率稳定性、信噪比以及扫描精度进行了分析测试。利用三维空间和超连续的高光谱信息对古建筑构件样本建模进行验证,并采用随机森林(RF)多分类方法实现不同古建筑构件木种材料的分类。结果表明,HSL系统能够同时获得空间三维信息和连续光谱信息,满足古建筑空间和状态特征建模的信息采集的需求。 展开更多
关键词 古建筑 光谱激光雷达 波形 分类
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基于室内高光谱激光雷达的典型树种叶片光谱观测和分类 被引量:8
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作者 胡佩纶 陈育伟 +6 位作者 蒋长辉 林起楠 李伟 漆建波 俞琳锋 邵慧 黄华国 《红外与毫米波学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期372-380,共9页
高光谱激光雷达综合了高光谱和激光雷达特征,可为植被生理生化参数提取提供更加精确的遥感探测,但其应用潜力尚未得到充分挖掘。以北京10个典型树种的单叶为样本,开展室内高光谱激光雷达的叶片观测试验,并进行树种分类研究,为未来高光... 高光谱激光雷达综合了高光谱和激光雷达特征,可为植被生理生化参数提取提供更加精确的遥感探测,但其应用潜力尚未得到充分挖掘。以北京10个典型树种的单叶为样本,开展室内高光谱激光雷达的叶片观测试验,并进行树种分类研究,为未来高光谱激光雷达的林业应用提供基础。首先进行可调谐高光谱激光雷达(Hyperspectral LiDAR,HSL)叶片高光谱测量,并完成与ASD地物光谱仪所测数据对比实验;其次,应用随机森林方法实现10种叶片的分类研究,其输入的特征指数为融合全部波段、部分敏感波段的光谱指数。结果表明:(a)HSL在波段650~1000 nm(71个通道)内观测的叶片高光谱和ASD光谱一致(R^2=0.9525~0.9932,RMSE=0.0587);(b)只用原始波段反射率分类精度为78.31%,其中分类贡献率最大波段的是650~750 nm,使用此波段进行分类精度为94.18%,表明利用红边波段(650~750nm)进行树种分类是十分有效的;(c)对树种敏感的波段为680 nm、685 nm、690 nm、715 nm、720 nm、725 nm、730 nm;(d)结合敏感波段光谱指数与植被指数分类精度82.65%。该研究结果表明在单叶级别,利用高光谱激光雷达能够准确地反映目标叶片的光谱特征并且能有效进行树种分类;未来将可能在野外应用中精确提取目标的生理生化参数。 展开更多
关键词 光谱激光雷达 叶片分类 波形 植被参数
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多光谱激光雷达波形数据处理及应用 被引量:4
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作者 王滨辉 宋沙磊(指导) +3 位作者 曹雄 何东 刘中正 陈振威 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2020年第S02期96-102,共7页
多光谱全波形激光雷达可同时获取隐含光谱信息在内的全波形综合信息,波形分解是影响多种回波参数反演精度的关键技术。提出了一种适用于多光谱激光雷达数据的波形分解方法,对各个通道灵活选择拟合子函数,充分利用多个通道之间的空间相关... 多光谱全波形激光雷达可同时获取隐含光谱信息在内的全波形综合信息,波形分解是影响多种回波参数反演精度的关键技术。提出了一种适用于多光谱激光雷达数据的波形分解方法,对各个通道灵活选择拟合子函数,充分利用多个通道之间的空间相关性,实现对目标的空间位置和光谱信息的精确提取;建立了光谱空间和RGB色彩空间之间的映射关系,实现目标的三维色彩重建。实验测试结果表明:该方法有效克服了环境光干扰,可实现全天时的目标三维色彩重建。通过与现有方法比较,误差标准差和决定系数R2这两个误差评估指数均验证了所提出的方法具有更高的测距精度和色彩信息反演精度。另外,实验结果验证了实验测试结果表明:该方法可实现全天时的目标三维色彩重建,有效克服了弱回波信号丢失、环境光干扰等影响,通过设定最佳脉冲累积数可有效提高兼顾了目标的测距精度和色彩信息反演数据处理精度和扫描效率。未来可通过优化激光探测波段,将该方法拓展到其他激光雷达系统上,进一步提高目标三维色彩重建精度。 展开更多
关键词 波形激光雷达 光谱激光雷达 波形分解 三维色彩重建
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基于高光谱激光雷达信号强度免校准的煤岩分类 被引量:6
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作者 何子辛 邵慧 +1 位作者 郭航 陈杰 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2021年第10期146-154,共9页
安全性对于深井开采至关重要。基于激光雷达的扫描探测技术可以有效监测巷道和深部煤矿现场的围岩安全状况。新兴的高光谱激光雷达不仅可以提供空间几何信息还可以提供丰富的光谱数据,在深井煤矿安全检测和精细结构分析方面具有良好的... 安全性对于深井开采至关重要。基于激光雷达的扫描探测技术可以有效监测巷道和深部煤矿现场的围岩安全状况。新兴的高光谱激光雷达不仅可以提供空间几何信息还可以提供丰富的光谱数据,在深井煤矿安全检测和精细结构分析方面具有良好的应用前景,而精确的煤岩分类是监测分析的基础。在实际应用中,雷达强度信号易受仪器属性和环境因素的影响,需校准才能使用。由于深井煤矿粉尘污染严重,常规校准方法难以达到理想效果。针对这个问题,提出一种信号强度免校准的方法,从激光雷达回波信号中提取新特征实现煤岩精确分类。首先,使用高光谱激光雷达获得煤/岩石样本的回波强度信息,并计算出波形熵(WE)和联合偏斜度-峰度系数(JSKF)作为新分类特征参数。其次,采用随机森林(RF)与支持向量机(SVM)分类器实现煤/岩石分类。最后,笔者进行了光谱分段测试,对特征分类性能进行优化。结果表明,所提的免校准方法,提高高光谱激光雷达直接应用能力的同时能够保持良好的分类性能。 展开更多
关键词 光谱激光雷达(HSL) 分类 校准 波形熵(WE) 联合偏度-峰度系数(JSKF)
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基于时间-光谱信息的遮蔽目标激光点云扩展与标识方法 被引量:2
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作者 徐世龙 夏宇浩 +1 位作者 董家杰 钱其姝 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2023年第6期322-330,共9页
在利用三维激光雷达点云进行目标描述时,人们通常通过点云插值等方式描述目标细节,通过点云分类标识区分目标种类。高光谱全波形激光雷达能够通过波形分解和光谱重构实现上述功能,然而当激光束内存在多个目标形成遮蔽关系时,由于间距较... 在利用三维激光雷达点云进行目标描述时,人们通常通过点云插值等方式描述目标细节,通过点云分类标识区分目标种类。高光谱全波形激光雷达能够通过波形分解和光谱重构实现上述功能,然而当激光束内存在多个目标形成遮蔽关系时,由于间距较近以及光斑分裂等原因,难以准确获取目标时间-光谱信息,从而无法较为精准地反演目标几何位置和反射率分布信息。文中提出了一种高光谱回波波形分解方法以及相应的点云扩展和标识方法,实现了优于激光脉宽分辨距离的波形分解和更准确的光谱重构。实验结果表明:在密集遮蔽条件下,该方法仍能达到约3倍的点云扩展效果和准确的目标分类标识。这种精准的点云扩展和标识方法能够为基于点云数据的探测、遥感情报生成提供良好的数据支撑。 展开更多
关键词 激光遥感 激光三维点云 高光谱全波形激光雷达 波形分解
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