利用机载激光雷达全波形数据提取高精度三维地形数据的理论与方法

当代机载激光雷达（LiDAR）系统均具有全波形数字化（full waveform digitizing）能力：用户可以分析每个发射光束的回波波形。本课题基于波形数据，研究在灌木丛覆盖和地形起伏较大地区，获得高精度三维地形数据的理论与方法。工程应用中，目前都是使用由系统直接生成的点云数据。这种数据无法区分高度小于LiDAR系统距离向分辨率（或称测距分辨率）的低矮植被，从而无法滤除这些植被，导致最终获得的三维地形数据（数字高程模型）含有较大的误差；同样，在地形起伏较大的地区，激光点相当于撞击在一个斜面上，从而使得地面光斑是一个长轴沿斜面方向的椭圆。如果斜面倾角比较大，就可能形成两次回波，同时引起结果数据的误差。本课题利用波形数据，从激光雷达方程出发，推导波形的产生，再运用改进的期望最大化算法（EM算法）对波形进行分解，提取相关参数，解决灌木丛和地形起伏地区高精度三维地形数据的提取问题。

分析波形数据的一个优势是用户可以自己在后处理过程中从原始波形数据中提取点云，波形分析的第一步就是波形分解，常用的波形分解方法一般是非线性最小二乘拟合，或者是系统厂商提供的阈值法，文献指出这些常用方法无法得到高精度的分解结果。在雷达遥感理论中，一组散射体的散射属性能用高斯函数来描述，返回波形实际上是若干高斯函数的叠加。我们使用改进的EM算法分解波形，提取每个高斯组成部分的期望值与方差，最后通过量化波形解决灌木丛和地形起伏地区高精度三维地形数据的提取问题。