激光測繪衛星對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 吉林省基礎地理信息中心 吉林長春 130051

激光測繪衛星對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 吉林省基礎地理信息中心 吉林長春 130051

我國的測繪衛星技術發展晚，較衛星強國還有一定的差距，但近些年也取得了不小的成果，測繪衛星技術在很多領域扮演非常重要的角色。本文旨在分析激光測繪衛星對不同地表形貌的探測能力，以期待我國激光測繪衛星技術取得進一步發展。

激光測繪衛星；地表形貌；探測能力；研究分析

一、測繪衛星技術簡介

測繪衛星指的是，能夠實現對地表形貌、地表設施以及自然地理立體繪圖的一種觀測衛星，同時能夠滿足計算平面基準、制圖精度等要求。測繪衛星主要包含以下幾類：測高衛星、雷達干涉測繪衛星、導航定位衛星、重力測繪衛星以及高分辨率光學成像測繪衛星。這些都能將同一區域的地表形貌根據不同角度進行拍攝立體影像。

隨著我國科學技術的不斷進步，對空間信息建設以及測繪信息產品生產也提出了更高的要求。測繪衛星技術是時代發展的必然產物，在對地觀測信息系統中扮演重要角色。測繪衛星技術的出現，豐富了獲取測繪數據和地理信息的渠道，突破了傳統的航空攝影測量技術。

二、激光三維成像探測原理

激光三維成像雷達探測流程主要是，星載激光雷達通過激光發射器向地面目標發射激光脈沖，在途徑地球大氣時會導致激光脈沖衰減，到達地面目標后產生漫反射，反射后的激光脈沖再次經過地球大氣，再次衰減后回到激光探測器中。地面控制中心在接收到衛星探測數據之后，經過對數據進行科學的分析處理，從而將地表形貌高度還原。

通過對數據的理論分析可以看出，激光脈沖的回撥能量符合單光子量級，大概為10-18J，所以可以采用Geiger模型實現光電信號轉換，實現地表形貌的三維成像。

三、不同地表形貌模型對探測進度的影響

3.1斜坡地形對探測進度的影響

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值。在斜坡地形中，激光脈沖回波的時間分布和空間分布呈以下規律：回波信號的空間分布不受到斜坡地形的影響，但是回波信號的時間分布會由于地表高度的變化，具有一定的延遲性，從而導致脈沖被展寬。回波信號的波形也受到斜坡高度的影響，斜坡的高度逐漸增加，脈沖寬度也會相應的增加，回波信號的波峰也向右邊移動。斜坡的坡度越陡，探測得到的高度值也漸漸增長。

3.2臺階地形對探測進度的影響

在臺階地形模型中，地表起伏分布可以通過下列公式表達出來：g（a）=0，0＜a＜50；g（a）=g，50＜a＜100。可以將臺階的頂部和臺階的底部的平均值g1/2，作為臺階地形的高度真實值。臺階地形的影響下，激光脈沖在時間分布和空間分布上，呈現不同的規律性。對數據進行充分分析，可以看出地形狀態還是不影響回波信號的空間分布，但是在時間分布圖中能夠看出，時間分布曲線的中間部分出現一個非常明顯的凹陷，主要是由于臺階的頂部和底部造成的，頂底分別對射入的激光脈沖造成不一致的固定延時。

臺階地形對探測精度，以及回波信號也造成一定程度的影響，可以從數據的分析中看出，臺階高度對回波波形的凹陷有直接的影響，臺階高度越大，回波波形中間的凹陷也就越大，到最后直接形成兩個高斯脈沖波形。同時，臺階高度對標準差、測量值也有直接影響，從數據分析以及圖像測繪中發現，臺階高度和高度測量值成正比關系，并且比例系數是1/2。

回波信號的兩個波形的對稱分布，是導致這種現象產生的主要原因。不斷通過反復繁多的數據探測，精密計算后發現探測值的平均值越發趨向于臺階高低的1/2，也就是真實高度值。臺階高度的不斷增加，波峰間距也會也來越大，因此測量的標準差也會越來越大。

3.3植被地貌對探測進度的影響

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探測進度起到很大影響。因此，植物地貌的情況下，反射率表現出特別的分布，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，激光脈沖回波的時間分布和空間分布也存在一定的規律性。基于地表反射率呈“斜坡”式分布，從而導致反射率越大，回波信號中心偏轉越大，朝著反射率大的方向發生偏轉，而信號的時間分布不受到影響。回波光子地面分布點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。而在實際探測中，地面不均勻分布點的反射率，對于激光光斑中心的偏移量來說是相當小的。同時，激光三維測繪衛星的足印小于10米，所以植被地貌產生的測量誤差，符合忽略范圍可以不計。

3.4分界地貌對探測進度的影響

在分界地貌上，反射率會出現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）。在反射率臺階的地表形貌，分別將激光脈沖回波的時間分布圖和空間分布進行檢測并分析。通過分析總結出分界地貌回波信號的時間和空間的分布特征。回撥信號的時間分布不受到分界地貌的影響，但是反射率的“臺階”式分布，對于影響很大，在分界線的兩邊，回撥信號的強度會受到不同程度的衰減，回撥信號強度重心的空間轉移。對于偏移造成的高程測量誤差，非常偏小可以忽略不計。

3.5仿真實驗

通過采取合理的仿真實驗，可以更好的表現不同地表形貌對探測進度的影響。利用模擬建設的DEM數據模型，網格大小設置為一米乘以一米，模型面積可以設置成500米乘500米。主要的地表形貌包括植被地貌、斜坡以及臺階地形和分界。通過實際實驗和對數據的科學分析，可以了解到，探測數據雖然存在一定誤差，但是激光雷達在對斜坡、臺階地形處的探測效果，和DEM提供的數據大致相同，探測次數的越多，數據累積也越充分，最終實現誤差不斷較小。對于植被和分界地貌的探測結果，其結果也與原DEM數據相吻合。

總結：總之，激光測繪衛星對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、以及地理環境的探測上，發揮著越來越明顯的作用。加強對激光測繪衛星的研究利用，有利于對其技術的創新發展，從而更好的服務于社會。

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

[2]于真真,侯霞,周翠蕓.星載激光測高技術發展現狀[J].激光與光電子學進展,2013,(2):52-61.