全波形激光雷達(dá)航測(cè)系統(tǒng)一問(wèn)世，備受學(xué)者關(guān)注

發(fā)布日期：2019-06-27 00:00 瀏覽量：10120

激光雷達(dá)航測(cè)技術(shù)作為近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，將激光技術(shù)與測(cè)繪技術(shù)集于一身，集成了全球定位系統(tǒng)、高精度掃描儀、三維激光測(cè)距儀和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)射激光束測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)與地物目標(biāo)之間的距離和位置等特征信息，進(jìn)而獲取高精度的地物三維空間信息。

相對(duì)于微波雷達(dá)而言，激光雷達(dá)在測(cè)量精度、分辨率和抗干擾能力等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，所以成為獲取地球空間信息的重要技術(shù)手段之一。

自2004年第一臺(tái)全波形機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)一經(jīng)問(wèn)世，立刻引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，開啟了對(duì)全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理研究與應(yīng)用的新時(shí)代，全波形機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)相比，用戶可以根據(jù)需要對(duì)回波波形進(jìn)行分解以得到多個(gè)感興趣的信息。飛燕航空遙感18年5月引進(jìn)了全世界最先進(jìn)的全波形機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)系統(tǒng)VQ-1560i。

對(duì)于離散回波信號(hào)，傳統(tǒng)激光雷達(dá)僅僅記錄了有限次的離散回波信號(hào)( 通常是第 1 次和最后一次); 而對(duì)于全波形機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)系統(tǒng)，發(fā)射端發(fā)出的激光束在與其光斑照射范圍內(nèi)的多個(gè)地物目標(biāo)相互作用之后，系統(tǒng)接收端則以較高的采樣頻率對(duì)回波進(jìn)行采樣并數(shù)字化，從而得到與地物目標(biāo)作用的先后順序相同的回波信號(hào)。

若不同高度的地物目標(biāo)間距很近，則系統(tǒng)接收的回波信號(hào)往往是多個(gè)小波疊加的結(jié)果，加之各種噪聲的影響，因此必須對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分解和處理，以將每個(gè)地物目標(biāo)的回波從接收到的波形數(shù)據(jù)中一一分離，用以準(zhǔn)確獲取每個(gè)地物目標(biāo)的相關(guān)信息。

全波形機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

目前，全波形機(jī)載激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理方法主要有兩種: 反卷積法和波形分解法。這兩種方法均可以得到較為理想的結(jié)果，但在原理和處理過(guò)程上有所不同。

反卷積法

假設(shè)全波形激光雷達(dá)的發(fā)射脈沖和地物目標(biāo)的作用過(guò)程等效于一個(gè)卷積的過(guò)程，回波信號(hào)的波形則是發(fā)射波形與地物目標(biāo)的卷積響應(yīng)，在發(fā)射波形和回波波形已知的情況下，所需了解的地物目標(biāo)的特征就是求解反卷積的過(guò)程。

ZHOU全面比較了直接分解法、理查德森-路西( Ｒichardson-Lucy，Ｒ-L) 反卷積法和戈德反卷積法 3 種方法; 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)空間差異在 0． 5m ～ 1m 范圍時(shí)，直接分解法的性能優(yōu)于其它兩種，在植被分布稀疏的區(qū)域，Ｒ-L 反卷積法表現(xiàn)較好，而戈德反卷積法在植被分布密集的區(qū)域具有較好的表現(xiàn)，且能夠獲得的有效回波數(shù)量更多。

雖然反卷積法受雷達(dá)系統(tǒng)參量和自然環(huán)境特征的影響較小，但由于反卷積法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，所以反卷積法在數(shù)據(jù)分解處理方面的研究與應(yīng)用還有待進(jìn)一步完善。

波形分解法

波形分解法中，回波信號(hào)的波形看作為光斑照射范圍內(nèi)不同地物目標(biāo)對(duì)發(fā)射激光脈沖散射后的綜合作用結(jié)果。波形分解方法是將回波波形分解成為一系列的分量和噪聲和的形式，其中，每個(gè)分量代表光斑內(nèi)不同地物目標(biāo)的相應(yīng)的回波信號(hào)，通過(guò)提取每個(gè)分量即可達(dá)到提取相應(yīng)地物目標(biāo)結(jié)構(gòu)特征信息的目的。

波形分解法主要有 3 個(gè)步驟:

( 1) 回波波形去噪;

( 2) 參量初值估計(jì);

( 3) 優(yōu)化參量擬合回波波形。

在獲取高時(shí)空分辨率的地球空間信息上，全波形機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展為此提供的全新的技術(shù)手段，數(shù)據(jù)的獲取從傳統(tǒng)人工測(cè)量變?yōu)樽詣?dòng)獲取，并朝著智能獲取的方向發(fā)展，提高了地物目標(biāo)的觀測(cè)精度和速度，同時(shí)可以快速地獲取地面特征點(diǎn)的三維空間位置和地表的形態(tài)特征，因而在遙感測(cè)繪等領(lǐng)域具有明確的應(yīng)用前景，并已得到了廣泛的關(guān)注和快速的發(fā)展。

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