星载激光雷达全波形数据处理与森林冠层高度反演
发布时间：2020-07-03 16:39
【摘要】：激光雷达作为一种先进的主动遥感技术,可以快速获取目标的三维信息,目前已经广泛应用于测绘的各个领域。传统的林业资源调查需要消耗大量人力、物力,而且调查区域多为预设样地,耗费时间较长,难以进行大规模的森林观测,无法满足对森林植被参数实时观测的需求。星载激光雷达具有精度高、速度快、穿透性强的特点,可以快速获取全球范围森林结构信息,从而在林业资源调查和植被参数提取中得到了广泛应用。本文对星载激光雷达的发展及其应用进行了梳理,阐述了激光测高卫星的原理和组成以及误差改正,重点研究了星载激光雷达波形数据的解算和处理,并结合波形特征参数提取森林植被冠层高度。论文主要研究内容及工作如下:(1)概述星载激光雷达系统的发展历程,综述了以GLAS为主的大光斑激光雷达对植被冠层高度提取的应用。简要的讨论了激光测高系统的测高原理、组成结构、定姿定位、误差控制与改正,对坐标转换、姿态调整、潮汐改正和大气校正部分进行了公式推导。(2)对激光测高卫星的波形数据处理进行详细阐述,包括了对波形数据的转换、去噪、滤波、拟合、分解等算法的研究;基于波形分解的结果对主要的波形特征参数进行了总结;对激光雷达的回波数据辐射机理展开了研究,分析了激光脉冲从发射到接收,两次穿过大气并与地物相互作用的全过程,推导了激光雷达方程;结合激光传输模型,讨论了激光回波仿真的原理和模型构建,并重点阐述了对地表建模的过程。(3)将激光测高波形数据用于森林冠层高度提取,根据波形参数建立了冠层高度估测模型,分析激光测高卫星波形数据提取森林植被参数的能力,并通过野外实测实测数据进行验证。利用森林回波提取的波形参数受地形影响较大,对于复杂的森林地形,模型参数不够稳定,估测结果得R2为0.78,RMSE为2.92,因此本文参考一种新的思路,采用裸地仿真回波作为辅助数据,构建受地形起伏影响较小的辅助模型,最终得到估测结果R2为0.89,RMSE为1.21。最后将GLAS与LandSat-TM联合绘制出森林冠层高度分布图,并对估测结果进行了讨论和分析。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S771.8
【图文】：
能大同小异，通常由发射系统、接收系统、信号处理系统、姿态以及位置控制系统组成逡逑［５３］。下文以目前广泛使用的ＧＬＡＳ系统为例来阐述星载激光测高系统的各个组成部分及逡逑作用，ＧＬＡＳ结构如图２－１所示。逡逑３０．１７”逡逑Ａｉｒａ邋１．１１１１２邋ｒａｄｉａｔｏｒ逦＊逦？逡逑Ｆｏｒ邋１．１４ｍ２邋ａｄｄ邋１２Ｓ＂邋ｔｏ邋２９．６＂逡逑Ｆｏｔ邋Ｕ６ｎｒ邋ａｄｄ邋１邋＾邋ｌｏ邋２９．６＂逦／逦逡逑／逦邋４８．６”逡逑．Ｓ＇Ｔｒ＾ｄ逡逑６ｒ逡逑＊９．４”邋’卜逦２９．６”逦＾逡逑图２－１邋ＧＬＡＳ系统结构［５４］逡逑２．１＿１发射系统逡逑星载激光雷达的发射系统主要由激光器、导入与合束系统、对准监测系统、扩束系逡逑统、库德光路系统和快速反射镜等组成。激光器是激光测高系统的核心部件，是影响激逡逑光雷达探测能力的关键因素，导入与合束系统将激光导入并通过合束镜合成一路激光输逡逑出给对准监测系统，对准监测系统对激光光路进行监测并校正光路偏差，扩束系统将激逡逑光光束直径放大，从而降低库德系统中反射镜的损耗，最后激光通过库德光路系统并以逡逑预定方向出射，在此过程中需要多个光学反射镜和透镜的配合使用［５３］。逡逑由于星载激光雷达对地观测距离较远，需要激光器以较高频发射高能的短脉冲激光，逡逑以保证较高观测分辨率，同时还要考虑平台载荷能力的限制，因此对激光器稳定性、散逡逑热能力、体积、重量都提出了很高的要求。ＧＬＡＳ系统采用了邋Ｎｄ：ＹＡＧ激光器
逑式，发射脉冲波长分别为ｌ0６４ｎｍ和５３２ｎｍ，其中１０６４ｎｍ激光主要用于对地表观测，逡逑而５３２ｎｍ激光用于探测高空气溶胶的分布情况，ＧＬＡＳ激光器如图２－２所示。逡逑＾逦n牛垮澹疲睿澹颍纾澹藉澹罚靛澹恚赍澹保埃叮村澹睿恚常靛澹颍幔赍澹厘澹樱常玻铮礤义蟸k？邋Ｒｅｐ邋Ｒａｔｅ邋＝邋４０邋Ｈｚ逡逑：邋？：＾，Ｖ逡逑＝二逡逑１＾：邋？邋Ｐ0＇ｎ？ｉｎＳＳｌａｂｉ？ｉｔｙ邋＜５＾ｒａｄ逡逑！逦．邋■■逦？邋Ｖａｃｕｕｍ邋ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ邋ｄｔｓｉｇｏ逡逑：邋？邋Ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｂａｒｄ邋ｄｅｓｉｇｎ逡逑图２－２邋ＧＬＡＳ激光器示意图［５４］逡逑２．１．２接收系统逡逑激光接收系统通常由光学望远镜、窄带宽的滤波片光电探测器组成。光学望远镜用逡逑于接收目标地物反射的回波脉冲，相比发射激光脉冲，地物漫反射的回波光子能量非常逡逑弱，因此需要用大口径望远镜才能有效探测激光回波。望远镜接收激光回波脉冲，通过逡逑窄带宽的滤波片进行去噪，最后被光电探测器接收。逡逑ＧＬＡＳ采用了邋ｌｍ邋口径的望远镜，并在镜面上涂了高反射率的光学薄膜来X椙抗庾渝义衔漳芰Α＃
本文编号：2739907
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S771.8
【图文】：
能大同小异，通常由发射系统、接收系统、信号处理系统、姿态以及位置控制系统组成逡逑［５３］。下文以目前广泛使用的ＧＬＡＳ系统为例来阐述星载激光测高系统的各个组成部分及逡逑作用，ＧＬＡＳ结构如图２－１所示。逡逑３０．１７”逡逑Ａｉｒａ邋１．１１１１２邋ｒａｄｉａｔｏｒ逦＊逦？逡逑Ｆｏｒ邋１．１４ｍ２邋ａｄｄ邋１２Ｓ＂邋ｔｏ邋２９．６＂逡逑Ｆｏｔ邋Ｕ６ｎｒ邋ａｄｄ邋１邋＾邋ｌｏ邋２９．６＂逦／逦逡逑／逦邋４８．６”逡逑．Ｓ＇Ｔｒ＾ｄ逡逑６ｒ逡逑＊９．４”邋’卜逦２９．６”逦＾逡逑图２－１邋ＧＬＡＳ系统结构［５４］逡逑２．１＿１发射系统逡逑星载激光雷达的发射系统主要由激光器、导入与合束系统、对准监测系统、扩束系逡逑统、库德光路系统和快速反射镜等组成。激光器是激光测高系统的核心部件，是影响激逡逑光雷达探测能力的关键因素，导入与合束系统将激光导入并通过合束镜合成一路激光输逡逑出给对准监测系统，对准监测系统对激光光路进行监测并校正光路偏差，扩束系统将激逡逑光光束直径放大，从而降低库德系统中反射镜的损耗，最后激光通过库德光路系统并以逡逑预定方向出射，在此过程中需要多个光学反射镜和透镜的配合使用［５３］。逡逑由于星载激光雷达对地观测距离较远，需要激光器以较高频发射高能的短脉冲激光，逡逑以保证较高观测分辨率，同时还要考虑平台载荷能力的限制，因此对激光器稳定性、散逡逑热能力、体积、重量都提出了很高的要求。ＧＬＡＳ系统采用了邋Ｎｄ：ＹＡＧ激光器
逑式，发射脉冲波长分别为ｌ0６４ｎｍ和５３２ｎｍ，其中１０６４ｎｍ激光主要用于对地表观测，逡逑而５３２ｎｍ激光用于探测高空气溶胶的分布情况，ＧＬＡＳ激光器如图２－２所示。逡逑＾逦n牛垮澹疲睿澹颍纾澹藉澹罚靛澹恚赍澹保埃叮村澹睿恚常靛澹颍幔赍澹厘澹樱常玻铮礤义蟸k？邋Ｒｅｐ邋Ｒａｔｅ邋＝邋４０邋Ｈｚ逡逑：邋？：＾，Ｖ逡逑＝二逡逑１＾：邋？邋Ｐ0＇ｎ？ｉｎＳＳｌａｂｉ？ｉｔｙ邋＜５＾ｒａｄ逡逑！逦．邋■■逦？邋Ｖａｃｕｕｍ邋ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ邋ｄｔｓｉｇｏ逡逑：邋？邋Ｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｂａｒｄ邋ｄｅｓｉｇｎ逡逑图２－２邋ＧＬＡＳ激光器示意图［５４］逡逑２．１．２接收系统逡逑激光接收系统通常由光学望远镜、窄带宽的滤波片光电探测器组成。光学望远镜用逡逑于接收目标地物反射的回波脉冲，相比发射激光脉冲，地物漫反射的回波光子能量非常逡逑弱，因此需要用大口径望远镜才能有效探测激光回波。望远镜接收激光回波脉冲，通过逡逑窄带宽的滤波片进行去噪，最后被光电探测器接收。逡逑ＧＬＡＳ采用了邋ｌｍ邋口径的望远镜，并在镜面上涂了高反射率的光学薄膜来X椙抗庾渝义衔漳芰Α＃
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