激光测绘卫星对不同地表形貌探测能力研究

文/霍天宝 吉林省地理信息院 吉林长春 130051

刘春伟 吉林省基础地理信息中心 吉林长春 130051

激光测绘卫星对不同地表形貌探测能力研究

文/霍天宝 吉林省地理信息院 吉林长春 130051

刘春伟 吉林省基础地理信息中心 吉林长春 130051

我国的测绘卫星技术发展晚，较卫星强国还有一定的差距，但近些年也取得了不小的成果，测绘卫星技术在很多领域扮演非常重要的角色。本文旨在分析激光测绘卫星对不同地表形貌的探测能力，以期待我国激光测绘卫星技术取得进一步发展。

激光测绘卫星；地表形貌；探测能力；研究分析

一、测绘卫星技术简介

测绘卫星指的是，能够实现对地表形貌、地表设施以及自然地理立体绘图的一种观测卫星，同时能够满足计算平面基准、制图精度等要求。测绘卫星主要包含以下几类：测高卫星、雷达干涉测绘卫星、导航定位卫星、重力测绘卫星以及高分辨率光学成像测绘卫星。这些都能将同一区域的地表形貌根据不同角度进行拍摄立体影像。

随着我国科学技术的不断进步，对空间信息建设以及测绘信息产品生产也提出了更高的要求。测绘卫星技术是时代发展的必然产物，在对地观测信息系统中扮演重要角色。测绘卫星技术的出现，丰富了获取测绘数据和地理信息的渠道，突破了传统的航空摄影测量技术。

二、激光三维成像探测原理

激光三维成像雷达探测流程主要是，星载激光雷达通过激光发射器向地面目标发射激光脉冲，在途径地球大气时会导致激光脉冲衰减，到达地面目标后产生漫反射，反射后的激光脉冲再次经过地球大气，再次衰减后回到激光探测器中。地面控制中心在接收到卫星探测数据之后，经过对数据进行科学的分析处理，从而将地表形貌高度还原。

通过对数据的理论分析可以看出，激光脉冲的回拨能量符合单光子量级，大概为10-18J，所以可以采用Geiger模型实现光电信号转换，实现地表形貌的三维成像。

三、不同地表形貌模型对探测进度的影响

3.1斜坡地形对探测进度的影响

斜坡地形模型中的地表起伏分布为：g（a）=gx/100。斜坡高度的平均值也就是斜坡高度的一半，作为斜坡地形高度的真实值。在斜坡地形中，激光脉冲回波的时间分布和空间分布呈以下规律：回波信号的空间分布不受到斜坡地形的影响，但是回波信号的时间分布会由于地表高度的变化，具有一定的延迟性，从而导致脉冲被展宽。回波信号的波形也受到斜坡高度的影响，斜坡的高度逐渐增加，脉冲宽度也会相应的增加，回波信号的波峰也向右边移动。斜坡的坡度越陡，探测得到的高度值也渐渐增长。

3.2台阶地形对探测进度的影响

在台阶地形模型中，地表起伏分布可以通过下列公式表达出来：g（a）=0，0＜a＜50；g（a）=g，50＜a＜100。可以将台阶的顶部和台阶的底部的平均值g1/2，作为台阶地形的高度真实值。台阶地形的影响下，激光脉冲在时间分布和空间分布上，呈现不同的规律性。对数据进行充分分析，可以看出地形状态还是不影响回波信号的空间分布，但是在时间分布图中能够看出，时间分布曲线的中间部分出现一个非常明显的凹陷，主要是由于台阶的顶部和底部造成的，顶底分别对射入的激光脉冲造成不一致的固定延时。

台阶地形对探测精度，以及回波信号也造成一定程度的影响，可以从数据的分析中看出，台阶高度对回波波形的凹陷有直接的影响，台阶高度越大，回波波形中间的凹陷也就越大，到最后直接形成两个高斯脉冲波形。同时，台阶高度对标准差、测量值也有直接影响，从数据分析以及图像测绘中发现，台阶高度和高度测量值成正比关系，并且比例系数是1/2。

回波信号的两个波形的对称分布，是导致这种现象产生的主要原因。不断通过反复繁多的数据探测，精密计算后发现探测值的平均值越发趋向于台阶高低的1/2，也就是真实高度值。台阶高度的不断增加，波峰间距也会也来越大，因此测量的标准差也会越来越大。

3.3植被地貌对探测进度的影响

植物物种的种类多种多样，分布也非常广泛。物种的类型和物种的繁密程度也对探测进度起到很大影响。因此，植物地貌的情况下，反射率表现出特别的分布，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，激光脉冲回波的时间分布和空间分布也存在一定的规律性。基于地表反射率呈“斜坡”式分布，从而导致反射率越大，回波信号中心偏转越大，朝着反射率大的方向发生偏转，而信号的时间分布不受到影响。回波光子地面分布点的偏移是影响高程测量误差的主要原因，由于误差小可以忽略不计。而在实际探测中，地面不均匀分布点的反射率，对于激光光斑中心的偏移量来说是相当小的。同时，激光三维测绘卫星的足印小于10米，所以植被地貌产生的测量误差，符合忽略范围可以不计。

3.4分界地貌对探测进度的影响

在分界地貌上，反射率会出现较为明显的幅度跳跃，例如在沙地和植被的分界面上，陆地与水流的分界面上。可以用这样的模型表示：f（a）=f1，（0＜a＜50）；f（a）=f2，（50＜a＜100）。在反射率台阶的地表形貌，分别将激光脉冲回波的时间分布图和空间分布进行检测并分析。通过分析总结出分界地貌回波信号的时间和空间的分布特征。回拨信号的时间分布不受到分界地貌的影响，但是反射率的“台阶”式分布，对于影响很大，在分界线的两边，回拨信号的强度会受到不同程度的衰减，回拨信号强度重心的空间转移。对于偏移造成的高程测量误差，非常偏小可以忽略不计。

3.5仿真实验

通过采取合理的仿真实验，可以更好的表现不同地表形貌对探测进度的影响。利用模拟建设的DEM数据模型，网格大小设置为一米乘以一米，模型面积可以设置成500米乘500米。主要的地表形貌包括植被地貌、斜坡以及台阶地形和分界。通过实际实验和对数据的科学分析，可以了解到，探测数据虽然存在一定误差，但是激光雷达在对斜坡、台阶地形处的探测效果，和DEM提供的数据大致相同，探测次数的越多，数据累积也越充分，最终实现误差不断较小。对于植被和分界地貌的探测结果，其结果也与原DEM数据相吻合。

总结：总之，激光测绘卫星对不同的地表形貌探测，具有非常显著的探测能力，其重要作用无可替代，在城市建筑、植被分布、以及地理环境的探测上，发挥着越来越明显的作用。加强对激光测绘卫星的研究利用，有利于对其技术的创新发展，从而更好的服务于社会。

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[2]于真真,侯霞,周翠芸.星载激光测高技术发展现状[J].激光与光电子学进展,2013,(2):52-61.