星载大光斑激光雷达波形数据处理方法初探

星载大光斑激光雷达波形数据处理方法初探

周朗明

武汉大学遥感信息工程学院，湖北武汉 (430079)

E-mail ：zlm_mj@

摘 要：激光雷达技术是近年发展十分迅速的一种新型数字传感器测图技术，在快速获取地表三维数据方面具有独特优势。商业机载LIDAR 系统提供给用户的产品一般是点云数据，实际上，波形数据能有效的表达光斑内的地物高程分布，提供更高精度的点云数据。本文以搭载在ICESat 卫星上的GLAS 传感器获取的GLA01波形数据为实验数据，对大光斑LIDAR 波形数据的格式及处理方法进行了初步探讨，提出了一种简化的针对大光斑波形数据处理的方案，实现了一种细化波峰位置的高程量化算法。

关键词：LIDAR ；波形数据；波形量化；GLAS ；ICESat

中图分类号：P231；P236；P237

1. 引 言

空载(包括机载和星载)LIDAR 技术作为一种激光测高系统，是以激光脉冲发射器作为辐射源，向植被和地表发射激光脉冲，通过记录发射信号和接收回波信号的强度信息以及发射和接收时刻的时间延迟来计算传感器和地物目标之间的距离。波形数据由时刻信息及某一时刻所接收的回波信号能量构成，对波形数据进行滤波、分解和量化等处理可得到地面目标的高程信息。从某种意义上来讲，波形数据是LIDAR 系统的原始数据，在波形数据的基础之上结合GPS/IMU 可得到精准表达地物目标三维信息的点云数据，即波形数据能提供地物目标的高程值(Z 坐标)及强度(I)，GPS/IMU 能提供地物目标在某一参考坐标系下的平面坐标(XY)。

国内外专家利用激光雷达波形数据对林业管理方面进行研究。Wenge 等研究激光波形与林冠层参数之间的关系，并指出激光波形数据对于三维林冠层结构参数的获取十分必要[1]。庞勇等对星载大光斑激光雷达波形数据(GLAS)的波形关键参数的计算进行研究[2] ，并利用我国东北地区星载激光雷达波形数据，阐述了数据预处理和波形长度计算方法，分析了东北地区波形长度的分布格局和林业应用潜力，并利用土地覆盖数据进行了验证[3]。

2. GLAS/ICESat 星载LIDAR 系统

GLAS 英文全称为Geoscience Laser Altimeter System ，国内有学者将其译为地球科学激光

高度计[4]。

GLAS 系统由美国航天局的戈达德宇航中心(NASA/GSFC)研制，采用diode pumped Q-switched Nd:YAG 激光器，该激光器能以每秒40次的频率发射两种波长的脉冲信号：1064nm 的近红外信号和534nm 的可见光信号。前者用于地表高程和密云高度的测量，后者用于测量云层和大气的垂直分布。GLAS 系统的技术指标如表1.1所示：

表1.1 GLAS 系统的技术指标

[2] Tab.1.1 Technical indexes of GLAS system

波长(nm) 脉冲重复频率(HZ) 光斑尺寸(m)光斑间隔(m) 测距精度 被测对象 532 40 70 170 云：75~200m(垂直) /150m(水平)气溶胶：

50km

云层、气溶胶1064 40 70 170

冰层/陆地：10cm 冰、陆地

GLAS所搭载的卫星平台为ICESat(Ice, Cloud and land Elevation satellite)，中文直译为冰、云和陆地高程卫星。该卫星的发射是NASA自1999年开始的地球观测计划(Earth Observing System, EOS)中的一部分，是首颗载有激光雷达传感器的卫星，发射时间为2003年1月13日00：45，发射地点位于加利福利亚州的Vandenberg空军基地。该卫星的发射目的是观测10~15年内的大气、海洋、陆地、冰和生物圈，从而监测与气候、环境变化密切相关的地球-大气系统的变化。

GLAS系统发出的一束激光脉冲信号经过远距离传输打在地表上会形成一个直径为70m 的光斑，由表1.1可知，GLAS系统一秒钟将发射40束激光脉冲信号，因此在一秒钟内将形成多个光斑，光斑之间的距离为170m。GLAS传感器的采样间隔为1ns，转化为距离为10cm。在每1000帧的采样点中，用于冰层或陆地的是544帧，用于海洋表面的是200帧。GLAS传感器可以精确记录发射脉冲信号从卫星发出经过光斑内地表目标的反射到接收器接收到回波信号的时间，进而测定从卫星到地球表面以及到干扰云层和气溶胶的距离[5]。

3.GLAS波形数据介绍

GLAS的数据产品可分为3个级别共有15种产品，3个级别分别为0、1和2级，其中0级产品是传感器电码数据包，实际应用是后两种产品。1级又分为1A和1B，其中1A级表示卫星记录数据，1B表示初级产品数据，2级表示应用数据[6]。

本文采用的数据是GLAS波形数据GLA01，其级别为1A，来源于美国冰雪数据中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)网站上于2008年3月11日发布的最新一期时间跨度2007年10月2日至2007年11月5日的数据。

一个GLA01的dat数据文件的内容包括两个部分：文件头和数据记录。其中文件头中包含了产品和数据处理信息，格式为ASCII，可以通过记事本查看。文件头中记录的信息以“KEYWORD=VALUE”的形式记录。不同的记录之间以分号(；)或换行符作为间隔。数据记录部分是以二进制的形式记录的，包括三种类型的数据：Main类型、Long类型和Short类型。Main类型包含了除回波信息之外的所有的测高波形信息，振幅强度为100%，记录持续时间为1s，重复次数为1；Long类型数据也称为陆地类型数据[7]。

GLA01产品尽管名为波形数据，但其数据内容十分丰富，以Main类型的数据为例，其中包含的数据记录有数百个之多，有些记录是对波形数据进行处理后的数据。纯粹的波形数据可由时刻和能量来描述，即某一时刻及其对应的回波强度构成波形数据。本文的目的是要对波形数据进行处理，因此需要对GLA01中的数据信息进行筛选，只提取出与原始波形数据相关的信息，从GLA01数据中提取的信息如图2.1所示。

图2.1 波形数据的相关参数

Fig.2.1 Related paramters of waveform