激光測繪衛(wèi)星對(duì)不同地表形貌探測能力研究

文/霍天寶 吉林省地理信息院 吉林長春 130051

劉春偉 吉林省基礎(chǔ)地理信息中心 吉林長春 130051

激光測繪衛(wèi)星對(duì)不同地表形貌探測能力研究

文/霍天寶 吉林省地理信息院 吉林長春 130051

劉春偉 吉林省基礎(chǔ)地理信息中心 吉林長春 130051

我國的測繪衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展晚，較衛(wèi)星強(qiáng)國還有一定的差距，但近些年也取得了不小的成果，測繪衛(wèi)星技術(shù)在很多領(lǐng)域扮演非常重要的角色。本文旨在分析激光測繪衛(wèi)星對(duì)不同地表形貌的探測能力，以期待我國激光測繪衛(wèi)星技術(shù)取得進(jìn)一步發(fā)展。

激光測繪衛(wèi)星；地表形貌；探測能力；研究分析

一、測繪衛(wèi)星技術(shù)簡介

測繪衛(wèi)星指的是，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地表形貌、地表設(shè)施以及自然地理立體繪圖的一種觀測衛(wèi)星，同時(shí)能夠滿足計(jì)算平面基準(zhǔn)、制圖精度等要求。測繪衛(wèi)星主要包含以下幾類：測高衛(wèi)星、雷達(dá)干涉測繪衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星、重力測繪衛(wèi)星以及高分辨率光學(xué)成像測繪衛(wèi)星。這些都能將同一區(qū)域的地表形貌根據(jù)不同角度進(jìn)行拍攝立體影像。

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)空間信息建設(shè)以及測繪信息產(chǎn)品生產(chǎn)也提出了更高的要求。測繪衛(wèi)星技術(shù)是時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物，在對(duì)地觀測信息系統(tǒng)中扮演重要角色。測繪衛(wèi)星技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了獲取測繪數(shù)據(jù)和地理信息的渠道，突破了傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)。

二、激光三維成像探測原理

激光三維成像雷達(dá)探測流程主要是，星載激光雷達(dá)通過激光發(fā)射器向地面目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，在途徑地球大氣時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光脈沖衰減，到達(dá)地面目標(biāo)后產(chǎn)生漫反射，反射后的激光脈沖再次經(jīng)過地球大氣，再次衰減后回到激光探測器中。地面控制中心在接收到衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析處理，從而將地表形貌高度還原。

通過對(duì)數(shù)據(jù)的理論分析可以看出，激光脈沖的回?fù)苣芰糠蠁喂庾恿考?jí)，大概為10-18J，所以可以采用Geiger模型實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)地表形貌的三維成像。

三、不同地表形貌模型對(duì)探測進(jìn)度的影響

3.1斜坡地形對(duì)探測進(jìn)度的影響

斜坡地形模型中的地表起伏分布為：g（a）=gx/100。斜坡高度的平均值也就是斜坡高度的一半，作為斜坡地形高度的真實(shí)值。在斜坡地形中，激光脈沖回波的時(shí)間分布和空間分布呈以下規(guī)律：回波信號(hào)的空間分布不受到斜坡地形的影響，但是回波信號(hào)的時(shí)間分布會(huì)由于地表高度的變化，具有一定的延遲性，從而導(dǎo)致脈沖被展寬。回波信號(hào)的波形也受到斜坡高度的影響，斜坡的高度逐漸增加，脈沖寬度也會(huì)相應(yīng)的增加，回波信號(hào)的波峰也向右邊移動(dòng)。斜坡的坡度越陡，探測得到的高度值也漸漸增長。

3.2臺(tái)階地形對(duì)探測進(jìn)度的影響

在臺(tái)階地形模型中，地表起伏分布可以通過下列公式表達(dá)出來：g（a）=0，0＜a＜50；g（a）=g，50＜a＜100。可以將臺(tái)階的頂部和臺(tái)階的底部的平均值g1/2，作為臺(tái)階地形的高度真實(shí)值。臺(tái)階地形的影響下，激光脈沖在時(shí)間分布和空間分布上，呈現(xiàn)不同的規(guī)律性。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分分析，可以看出地形狀態(tài)還是不影響回波信號(hào)的空間分布，但是在時(shí)間分布圖中能夠看出，時(shí)間分布曲線的中間部分出現(xiàn)一個(gè)非常明顯的凹陷，主要是由于臺(tái)階的頂部和底部造成的，頂?shù)追謩e對(duì)射入的激光脈沖造成不一致的固定延時(shí)。

臺(tái)階地形對(duì)探測精度，以及回波信號(hào)也造成一定程度的影響，可以從數(shù)據(jù)的分析中看出，臺(tái)階高度對(duì)回波波形的凹陷有直接的影響，臺(tái)階高度越大，回波波形中間的凹陷也就越大，到最后直接形成兩個(gè)高斯脈沖波形。同時(shí)，臺(tái)階高度對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、測量值也有直接影響，從數(shù)據(jù)分析以及圖像測繪中發(fā)現(xiàn)，臺(tái)階高度和高度測量值成正比關(guān)系，并且比例系數(shù)是1/2。

回波信號(hào)的兩個(gè)波形的對(duì)稱分布，是導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。不斷通過反復(fù)繁多的數(shù)據(jù)探測，精密計(jì)算后發(fā)現(xiàn)探測值的平均值越發(fā)趨向于臺(tái)階高低的1/2，也就是真實(shí)高度值。臺(tái)階高度的不斷增加，波峰間距也會(huì)也來越大，因此測量的標(biāo)準(zhǔn)差也會(huì)越來越大。

3.3植被地貌對(duì)探測進(jìn)度的影響

植物物種的種類多種多樣，分布也非常廣泛。物種的類型和物種的繁密程度也對(duì)探測進(jìn)度起到很大影響。因此，植物地貌的情況下，反射率表現(xiàn)出特別的分布，可以用以下公式表示反射率的模型：f（a）。反射率“斜坡”地貌下，激光脈沖回波的時(shí)間分布和空間分布也存在一定的規(guī)律性。基于地表反射率呈“斜坡”式分布，從而導(dǎo)致反射率越大，回波信號(hào)中心偏轉(zhuǎn)越大，朝著反射率大的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而信號(hào)的時(shí)間分布不受到影響。回波光子地面分布點(diǎn)的偏移是影響高程測量誤差的主要原因，由于誤差小可以忽略不計(jì)。而在實(shí)際探測中，地面不均勻分布點(diǎn)的反射率，對(duì)于激光光斑中心的偏移量來說是相當(dāng)小的。同時(shí)，激光三維測繪衛(wèi)星的足印小于10米，所以植被地貌產(chǎn)生的測量誤差，符合忽略范圍可以不計(jì)。

3.4分界地貌對(duì)探測進(jìn)度的影響

在分界地貌上，反射率會(huì)出現(xiàn)較為明顯的幅度跳躍，例如在沙地和植被的分界面上，陸地與水流的分界面上。可以用這樣的模型表示：f（a）=f1，（0＜a＜50）；f（a）=f2，（50＜a＜100）。在反射率臺(tái)階的地表形貌，分別將激光脈沖回波的時(shí)間分布圖和空間分布進(jìn)行檢測并分析。通過分析總結(jié)出分界地貌回波信號(hào)的時(shí)間和空間的分布特征。回?fù)苄盘?hào)的時(shí)間分布不受到分界地貌的影響，但是反射率的“臺(tái)階”式分布，對(duì)于影響很大，在分界線的兩邊，回?fù)苄盘?hào)的強(qiáng)度會(huì)受到不同程度的衰減，回?fù)苄盘?hào)強(qiáng)度重心的空間轉(zhuǎn)移。對(duì)于偏移造成的高程測量誤差，非常偏小可以忽略不計(jì)。

3.5仿真實(shí)驗(yàn)

通過采取合理的仿真實(shí)驗(yàn)，可以更好的表現(xiàn)不同地表形貌對(duì)探測進(jìn)度的影響。利用模擬建設(shè)的DEM數(shù)據(jù)模型，網(wǎng)格大小設(shè)置為一米乘以一米，模型面積可以設(shè)置成500米乘500米。主要的地表形貌包括植被地貌、斜坡以及臺(tái)階地形和分界。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)和對(duì)數(shù)據(jù)的科學(xué)分析，可以了解到，探測數(shù)據(jù)雖然存在一定誤差，但是激光雷達(dá)在對(duì)斜坡、臺(tái)階地形處的探測效果，和DEM提供的數(shù)據(jù)大致相同，探測次數(shù)的越多，數(shù)據(jù)累積也越充分，最終實(shí)現(xiàn)誤差不斷較小。對(duì)于植被和分界地貌的探測結(jié)果，其結(jié)果也與原DEM數(shù)據(jù)相吻合。

總結(jié)：總之，激光測繪衛(wèi)星對(duì)不同的地表形貌探測，具有非常顯著的探測能力，其重要作用無可替代，在城市建筑、植被分布、以及地理環(huán)境的探測上，發(fā)揮著越來越明顯的作用。加強(qiáng)對(duì)激光測繪衛(wèi)星的研究利用，有利于對(duì)其技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，從而更好的服務(wù)于社會(huì)。

[1]李鑫,廖鶴,趙美玲,周文龍,曹水艷,周世宏.激光測繪衛(wèi)星對(duì)不同地表形貌探測能力分析[J].測繪學(xué)報(bào),2014,(12):1238-1244.

[2]于真真,侯霞,周翠蕓.星載激光測高技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013,(2):52-61.