浅析星载激光测高数据处理方法

汪为国

（ 四川成都 610000 ）

摘要：地球科学激光测高系统GLAS (Geoscience Laser Altimeter System)作为全球首个连续对地观测的星载激光雷达测高系统，在极地冰川监测、陆地林业资源调查和平坦地区高程控制点提取等多领域得到了广泛应用。目前，在建筑区等非平坦地形区域使用大光斑激光雷达测高数据作为高程控制点辅助遥感影像摄影测量的相关研究和应用成果非常稀少。基于此，本文阐述了激光雷达系统的观测机理，主要包括激光雷达方程推导和回波信号的高斯模型简化；最后对全波形激光雷达的测距原理、波形滤波和全波形分解参数提取等基础内容进行了系统的总结。

关键词：星载激光；测高；数据处理；

1引言

星载激光测高（SLA）、卫星雷达测高（SRA）和卫星激光测距（SLR）三种技术既有关联又有区别。受激光测高仪硬件载荷以及数据处理软件等技术条件限制，人们对星载激光测高技术的关注度相对较少，在一定程度上制约了对地观测领域的国产激光测高卫星发展。为凸显星载激光测高技术的独特地位，对三种技术进行系统的对比分析是非常必要的。

星载激光测高技术足通过将激光测高仪搭载在卫星平台上，向地面固定频率发射激光脉冲，通过测量激光脉冲往返的时间间隔计算星地的绝对距离，结合精密的卫星轨道、姿态和激光指向角等参数来获得激光足印点的绝对高程值。其中最具代表性的星载激光测高系统是全球首颗用于连续对地观测的地球科学测高系统（GLAS）。

卫星雷达测高技术同样采用卫星平台搭载微波雷达高度计戟荷，进行地面点定位以及测定地球形状、大小和重力场。卫星激光测跖技术则采取地对帘的观测方A，在地面工作站人工目视跟踪观测装有激光发射棱镜的人造卫星或月球等地外天体，通过测定发射激光脉冲到接收脉冲的时间间隔来测定地面观测站的激光测距系统几何中心到地外天体的绝对距离。其次，足印大小和观测对象是区分卫星雷达测高与星载激光测高的显著指标。卫星雷达测高的足印大小基本在千米级，观测对象以海洋为主；而星载激光测高的足印大小一般在10-100m，如GLAS的标称足印大小为72m，主要对极地冰盖和陆地林区进行观测。尽管卫星激光测距和星载激光测高均采用激光进行观测，但目前最先进的卫星激光测距系统己突破毫米级观测精度，而卫星激光测高的最佳精度基本在10至15cm，甚至更差水平。

2GLAS测高原理

激光雷达通过发射脉冲信号并接收回波信号来对地表进行远距离非接触探测，其遥感过程为发射脉冲信号穿透大气层到达散射体表面，经散射、吸收及透射等相互作用后返回到传感器激光接收器。由于实际物理过程复杂，为方便研宄星载激光雷达的观测机理需简化激光雷达方程。在实际的激光雷达成像过程中，散射体的反？率和立体角等参数受不同观测时段的大气和地物类型等因素影响，其值不稳定，无法直接利用激光雷达观测方程反演地物的垂直结构特征，因此需要建模来简化激光雷达回波波形。实际解析出的激光雷达系统发射脉冲是一个大致满足高斯分布的脉冲信号，将发射脉冲穿过大气层与地表散射体发生相互作用后回到系统接收机的过程看作系统传递函数，回波信号可认为是发射脉冲与系统传递函数在时间域上的卷积，仍然可用高斯函数模型进行模拟。一般认为，复杂地物的回波脉冲信号是若干个满足高斯分布的单一地物回波相互叠加的结果。

GLAS激光测高系统通过确定激光脉冲发射和脉冲返回接收机的时刻差来测量星地距离，利用GPS接收器和星敏感器精确测定在测量瞬间轨道的瞬时位置和卫星姿态，将测距、定轨和定姿三者进行关联可确定出地面足印点的三维空间坐标。在理想无干扰情况下，激光高度计测量值理论上代表卫星质心到地面目标的真实距离。然而激光脉冲会收到大气、云层等干扰，产生对流层折射和大气散射，同时卫星高度计仪器系统误差和地球潮汐都会使激光测高值产生一定的偏差。为获取卫星质心到地表面的精确瞬时距离，需对因上述误差源导致的偏差进行改正。

3. 波形处理基础

3.1 波形滤波

激光脉冲在大气传播过程中受到大气及云层等因素干扰以及激光测高仪本身的系统噪声，易使回波信号产生折射、散射和延迟现象。另外，当激光足印内存在地形起伏和植被覆盖等情况时，回波脉冲信号容易产生波形展宽和叠加现象，甚至信号失真。因此需要对GLAS回波信号进行去噪处理，去噪效果将直接影响后续波形处理的精度。常用的冋波去噪方法有高斯滤波去噪和小波去噪等方法。

高斯滤波适用于抑制符合正态分布的信号噪声，通过正态分布的概率密度函数生成高斯模板，从有效信号起始位置开始逐帧往后进行扫描，将高斯模板邻域内的加权平均值作为模板中心点的振幅值。

小波变换是一种时间与频率都改变的时频局域化分析法，仅在有限区间内具有非零值，可调整平移和伸缩比例获取低频和高频小波，通过选取一个合适的小波函数从含噪信号中提取有用信号，达到信号去噪的作用。通常，含噪信号经若干层次小波分解后，低频有用信号的小波系数较大，而高频噪声信号的系数较小，通过预先设定一个合理的小波系数阈值门限可有效去除高频噪声部分，最后利用低频系数进行信号重建以获得去噪后的信号。

3.2 波形分解

全波形分解实质上是将一个原始复杂回波信号分解为若干个子波分量，并对分量初始参数进行拟合优化以精确提取回波特征参数。全波形分解方法主要分为高斯分解和非高斯分解方法。高斯分解是将回波信号分解得到N个高斯子波分量，利用高斯函数模型求解出３＊N个高斯分量的基本参数，包括振幅值、峰值中心位置和半宽值大小。

由于激光光斑内实际地物类型复杂多样，回波信号不完全符合高斯分布，不同目标在空间尺度上存在较大的差异，故也有学者提出了非高斯分解方法，如小波分解。GLAS回波信号认为是几个具有不同尺度（即不同的平均值和标准偏差）的高斯函数的叠加波形，可以利用多尺度小波分解方法将GLAS原始波形分解为不同尺度的子波分量，根据原始波形的复杂程度调整分解尺度的大小以适应不同的地物目标。不同的小波尺度在描述GLAS回波信号时会导致不同的细节水平，较小的尺度可以更详细地描绘信号，体现出较小目标的特征，而较大的尺度反映波形的整体特征，即较大目标的分布。小波分析的本质是通过扩张和平移从规则的局部基本小波函数中获得函数族。

4. 结束语

具备全波形记录功能的地球科学激光测髙系统（GLAS），凭借高精度的波形采集设备、高效的回波数据处理算法以及精密的卫星定姿和定位装置，其测高精度可达0.15m。本文阐述了激光雷达系统的观测机理，主要包括激光雷达方程推导和回波信号的高斯模型简化；最后对全波形激光雷达的测距原理、波形滤波和全波形分解参数提取等基础内容进行了系统的总结。

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作者：汪卫国，身份证号：511381198108049351。