国产对地观测卫星激光测高数据与光学影像高精度复合处理研究

Combining laser altimetry data and optical image is an effective way to improve the elevation accuracy of satellite stereo images without any ground control points, which has been widely used on the Moon and Mars extraterrestrial space sensor. However, the laser echo waveform is influenced by the atmospheric and topographic features during observing the Earth from satellite, and the reliable laser elevation control points need to be extracted automatically and accurately. Therefore, this study focuses on domestic earth observation satellite equipped with laser altimeter and optical camera, and carry out combined processing of laser altimetry data and optical images. In this project, laser echo simulation and full waveform decomposition method, laser elevation control point extraction by multi-criteria constraint is proposed. What’s more, combined adjustment method is introduced, which is based on laser ranging parameters, satellite attitude and orbit parameter constraint and rigorous geometric model on the same platform, or based on laser height constraint and rational function model under different platforms. The aim is to improve the images elevation accuracy without ground control point, and meet the 1:10000 scale high precise mapping requirements.

采用激光测高数据与光学影像复合测绘是提升无地面控制点条件下卫星影像立体测图高程精度的有效途径，在月球和火星等地外空间已经得到较广泛的应用。但对地观测时，存在激光回波波形受大气、地形地物影响，可靠的激光高程控制点如何自动精确提取，激光与影像联合平差方程如何有效建立等问题。因此，本课题专门针对搭载了激光测高仪和光学相机的国产对地观测卫星，开展激光测高数据与光学影像的高精度复合处理研究。项目拟采用激光回波仿真及全波形分解、多准则约束的激光高程控制点提取等方法，在同平台模式下基于激光测距参数、卫星姿轨参数约束和严密几何成像模型，不同平台模式下基于激光高程约束和有理函数模型的联合平差模型，提高影像无地面控制点高程精度，满足1:1万比例尺高精度测图要求，为境外地区大规模高精度测图提供技术支撑。

卫星激光测高具备主动获取全球地表及目标三维信息的能力，能为快速获取包括境外地区在内的三维控制点以及立体测图提供服务，同时在极地冰盖测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量以及全球气候监测等方面都可以发挥重要作用。项目主要面向国产卫星激光测高数据与光学影像复合测绘开展研究，发挥卫星激光测高技术高程精度高的优势，最终提升立体影像的无地面控制情况下的高程测量精度。. 项目研究了激光测高卫星回波波形精细化模拟仿真分析方法，激光测高卫星的回波波形是激光测高卫星的核心数据之一，回波波形的仿真分析对卫星指标论证、数据处理具有重要的参考价值。项目组综合考虑地物反射率、发射波形和激光发射光强影像阵列LPA三个因素对回波仿真结果的影响并进行对比实验，探讨了最优的模拟仿真方法，仿真精度提高到相关系数大于0.951。相关研究结果在2018年北京召开的国际摄影测量与遥感大会ISPRS上得到展示。. 项目深入开展了国产资源三号02星激光测高数据与影像复合测绘试验与验证工作。项目组通过资源三号02星的激光测高数据和立体影像，采用同平台的基于激光距离约束和严密几何模型以及基于高程约束和有理函数模型的两种算法，开展了资源三号02星激光与影像复合测绘研究，实现了光学立体影像无控高程精度的有效提高，选择青海、西藏、新疆、河北等多个区域开展试验，结果有力论证了卫星激光测高数据可以有效提高光学立体影像的高程精度，在全球测图工程中具有推广应用价值，建议后续立体测图卫星搭载业务化应用的激光测高仪。. 项目成果出版专著1本，发表SCI/EI论文8篇，其中在行业顶尖级的期刊《测绘学报》、《遥感学报》发表论文5篇，获得专利授权2项，获得全国高分辨率对地观测学术年会优秀论文1次、青年创新基金1次，获高分卫星应用解决方案大赛二等奖1次，培养研究生2名。