星載全波形激光雷達森林回波仿真,普遍使用的"混合幾何光學輻射傳輸模型",在建立目標場景時輸入?yún)?shù)多而復雜,難以獲取,且多依賴經(jīng)驗公式。針對上述問題,文章利用機載激光雷達點云數(shù)據(jù),提取目標區(qū)域森林植被特征參數(shù)及地面高程參數(shù),實現(xiàn)目標場景輸入?yún)?shù)去經(jīng)驗式獲取,并追蹤傳感器發(fā)射脈沖、脈沖光束與地面物體交互作用、接收回波全過程,建立包括傳感器模型、目標植被模型、回波模型在內的激光雷達全鏈路仿真模型,為跨區(qū)域快速建模提供依據(jù)。對實驗區(qū)域采集的機載激光雷達點云數(shù)據(jù)進行仿真得到模擬全波形激光雷達森林回波波形,并將模擬波形與機載激光雷達點云數(shù)據(jù)直接生成的擬大光斑波形進行比較;再將模擬波形與對應區(qū)域的GLAS波形進行對比分析,二者相關系數(shù)高于0.80,驗證了模型的有效性。 

【文章來源】：航天返回與遙感. 2020,41(01)

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

模型示意圖

第1期楊舒琪等:一種面向森林區(qū)域的全波形激光雷達數(shù)據(jù)全鏈路仿真方法117以此類推，記n1nmmes為入射脈沖第n幀窄光束en剩余能量在第m層冠層橫截面積sm上的散射能量，在tk時刻返回的總能量erec(tk)可以表示為：21rec42111trarecT()()4πkikikikiiDetesRΩ（10）式中k[1,mn]；每層s、ρ值由目標森林植被模型輸出反射特性參數(shù)及統(tǒng)計每層冠層所占體元個數(shù)得到；e由發(fā)射脈沖模型得到；D、R、TΩ、traη、rec由傳感器參數(shù)得出。2仿真實驗及驗證圖2為全波形LiDAR全鏈路模型的仿真流程圖。首先依據(jù)ICESat-GLAS相關設計參數(shù)建立發(fā)射脈沖模型，加入高斯白噪聲并進行離散化處理；對點云數(shù)據(jù)進行處理，提取獲取森林幾何參數(shù)、地面幾何參數(shù)，結合森林反射參數(shù)及地面反射參數(shù)，建立目標植被模型；將傳感器模型及目標植被模型進行離散化處理，依據(jù)LiDAR方程的離散表達式，建立回波模型；最后將三塊實驗樣地采集的點云數(shù)據(jù)輸入本文模型，得到的回波波形與點云擬大光斑進行對比分析，并用研究區(qū)域對應的GLAS光斑對本文模擬回波波形進行驗證。圖2全波形LiDAR全鏈路模型仿真流程Fig.2Full-linksimulationflowoffull-waveformLiDAR2.1研究數(shù)據(jù)2.1.1ICESat-GLAS數(shù)據(jù)ICESat是全球首個激光測高衛(wèi)星，主要有效載荷為激光測高系統(tǒng)GLAS[24]，ICESat-GLAS傳感器提供15種標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品。為驗證回波波形，在森林結構和生態(tài)參數(shù)穩(wěn)定的森林地區(qū)，選取三個GLAS激光光斑腳點對應區(qū)域作為實驗樣地，對GLA01測高數(shù)據(jù)進行預處理，包括電壓值轉換、波形正則化處理。本文基于ICESat-GLAS的設計參數(shù)建立傳感器模型，其主要指標參數(shù)如表1所示。

118航天返回與遙感2020年第41卷表1ICESat-GLAS傳感器模型Tab.1TheICESat-GLASsensormodel飛行高度/m600000脈沖寬度/ns6光束發(fā)散角/rad0.00011發(fā)射器時間延遲/ns55激光指向角（偏離最低點角度）/（°）0脈沖能量/mJ75激光波長/nm1064最小檢測能量/mJ0.00001接收孔徑直徑/m12.1.2機載LiDAR點云數(shù)據(jù)選取GLAS腳點對應區(qū)域的三塊直徑為70m的圓形區(qū)域作為樣地，其森林結構和生態(tài)參數(shù)穩(wěn)定，對應區(qū)域采集的點云數(shù)據(jù)分別命名為實驗數(shù)據(jù)1、實驗數(shù)據(jù)2、實驗數(shù)據(jù)3，如表2所示，點云密度為3~6脈沖/m2。表2實驗數(shù)據(jù)Tab.2Experimentaldata實驗數(shù)據(jù)經(jīng)度/（°）緯度/（°）高程/m坡度/（°）實驗數(shù)據(jù)1W21.3788N202.2131115.16823.2實驗數(shù)據(jù)2W21.3892N202.2113107.61023.6實驗數(shù)據(jù)3W21.3937N202.210697.27725.0采用LiDAR數(shù)據(jù)標準格式LAS對點云數(shù)據(jù)進行記錄，提取點云數(shù)據(jù)中每個點的空間坐標信息，作為全鏈路回波仿真中目標植被模型的輸入及點云擬大光斑的輸入。對于目標植被模型建立中點云數(shù)據(jù)的處理下文中進行了詳細說明；擬大光斑波形是將點云數(shù)據(jù)垂直分為若干層，每層間隔0.15m，對每層進行數(shù)量統(tǒng)計，并進行歸一化處理。2.2全鏈路模型仿真實驗2.2.1傳感器模型仿真依據(jù)ICESat-GLAS激光測距系統(tǒng)參數(shù)（見表1），對式（1）、（2）、（3）對應的激光高斯脈沖、加噪后的激光光束進行仿真[13]，并進行離散化處理，激光發(fā)射脈沖模型如圖3所示。圖3激光發(fā)射脈沖模型Fig.3Thelaserpulsemodel

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：2997474