一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法技術

本發明專利技術屬于遙感測繪技術領域，具體涉及一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法。本發明專利技術包括以下步驟：基于航高、激光點高程值進行初次校正回波強度值，將激光傳輸距離對回波強度值的影響均一化；基于初次校正后的LiDAR數據，以平面距離值、高程值、回波強度值為參考，通過設定閾值判定條件，逐點計算激光點的趨勢角度值；結合趨勢角和入射角，計算出反射角，重新對原始LiDAR數據的回波強度值進行校正計算。本發明專利技術解決了現有技術難以實現非植被類地物、尤其是傾斜地物的機載LiDAR數據回波強度值校正的技術問題，能夠使機載LiDAR數據回波強度值更好地反映地物介質屬性，提高其在地物分類識別方面的應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于遙感測繪領域，涉及一種機載LiDAR數據回波強度值的校正方法。
技術介紹
機載激光雷達(AirborneLightDetectionAndRanging，LIDAR)是近十幾年來快速發展的一種新型的測量技術，能夠直接獲取真實地面的高精度三維地形信息，可廣泛用于大面積地形測繪、快速生成DEM等數字產品。激光點云數據則是激光測距儀對地發射激光，并通過計算發射激光的角度、脈沖信號返回時間等來計算獲取的地面點三維坐標。除空間坐標信息外，激光雷達點云數據中記錄的內容還包括回波強度、回波次序、掃描角度等信息。其中，回波強度值是經地物反射后返回的激光脈沖信號由接收器感應產生電壓信號，經過放大處理和計算，轉化為數字。此外，激光點云密度是機載激光雷達點云數據質量的重要指標，如依據國家測繪地理信息局2011年頒布的《機載激光雷達數據獲取技術規范》，要達到1:2000的成圖比例尺，激光點云密度必須大于1點/平方米。近年來隨著數據采集技術的提高，激光回波強度信息精度大大提高，帶有全波形記錄儀的機載激光雷達設備也開始在市場上應用，因此越來越多的學者開始重視對回波強度信息的使用。國內外對融合激光回波強度信息的濾波分類算法也進行了一些研究。理論上，每種物質對激光信號的反射特性是不一樣的，根據這一特性，能夠區分識別很多地物。地面介質表面的反射系數決定了激光回波能量的多少。地面介質對激光的反射系數取決于激光的波長、介質材料以及介質表面的明暗黑白程度。反射介質的表面越亮，反射率就越高。表1列出了德國Riegl公司測試的部分地物對900nm波長激光反射率。從表1中可以看出，即使同種材質的物體，其水分含量等不同，也會導致反射率差異。表1部分介質900nm激光的反射率值材質反射率白紙接近100％形狀規則的木料(干松木)94％雪80-90％泡沫88％白石塊85％石灰石、粘土接近75％有印記的新聞紙69％綿紙60％落葉樹典型值60％松類針類常青樹典型值30％碳酸鹽類沙(干)57％碳酸鹽類沙(濕)41％海岸沙灘、沙漠裸露地典型值50％粗糙木料25％光滑混凝土24％帶小卵石瀝青17％火山巖8％黑色氯丁(二烯)橡膠5％黑色橡皮輪胎2％激光強度信號雖然能夠在一定程度上提供地物反射特性的信息，但實際上并不能很好地用來重構地面物體的反射性質，主要原因是激光回波強度不僅與反射介質的特性有關，還同激光的入射角度、激光脈沖作用距離產生的大氣對激光的吸收等因素相關。這一缺點不僅制約了激光強度數據的精度，而且還使得根據強度數據進行地面物體分類變得困難。因此，如何校正激光回波強度值便成為關鍵問題。要實現精確的激光回波強度值校正，理論上要依據最基本的雷達方程式，結合大氣的散射、透過率等多項參數，才可以實現。但實際情況下，激光雷達設備的很多基本參數難以獲取，因此雷達方程的應用較為困難，而且航空飛行過程中的精確大氣參數獲取同樣很困難，所以大大限制了回波強度值的應用。國外激光雷達硬件設備研制較早，在數據處理方面也開展了大量研究。其中，LiDAR回波強度值校正處理方法主要分為兩類：基于理論的輻射校正模型和歸一化校正模型。基于理論模型的輻射校正是基于雷達方程和激光傳輸理論，假定地面為朗伯體反射、大氣條件已知(散射、透過率等)、激光發射功率恒定、接收功率與回波強度記錄值線性相關，在滿足以上條件下通過雷達方程計算公式進行回波強度值的校正。歸一化校正模型，假定記錄的回波強度值與地面反射率呈比例關系，與飛行高度呈線性關系或者平方反比，然后通過計算對距離值變化引起的差異進行歸一化處理，通常計算公式為：I(R)normalized＝I·R2/(Rs2·cosα)，其中I(R)normalized為標準化后的回波強度值，I為原始回波強度測量值，R為激光點與傳感器之間距離值，Rs為參考距離值，α為激光光束入射角，此外還有一種回波強度值計算公式：I(R)normalized＝I·R2/Rs2，該方法同樣假設地面為朗伯體，且地物平坦，忽略地物傾角對激光脈沖回波強度的影響，且通常只針對單次回波和首次回波激光點有效。然而，實際上地物傾角對激光回波強度值的影響不可忽略。植被的回波強度校正難以解決，主要原因是植被自身的樹葉形態對激光回波產生影響，但植被樹葉形態的準確計算是十分困難的，其回波強度值與激光光斑面積、葉面積、葉傾角、樹葉成分等都有關系，在有全波形記錄儀數據的情況下可以開展一定工作。相對而言，非植被類地物的形態較為穩定，傾角容易計算(如房頂)，所以針對非植被類地物的回波強度校正，尤其是傾斜地物趨勢角的影響分析和校正算法是可以研究的。
技術實現思路
本專利技術需要解決的技術問題：現有技術難以實現非植被類地物、尤其是傾斜地物的機載LiDAR數據的回波強度值校正。本專利技術的技術方案如下所述：一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法，包括以下步驟：步驟1回波強度初步校正；步驟2確定激光點趨勢角；步驟3回波強度最終校正。步驟1中，首先采用依據下式計算高程平均值：Z平均＝(Z最高+Z最低)/2式中，Z最高為高程最大值；Z最低為高程最小值；Z平均為高程平均值；然后依據下式進行回波強度初步校正：Ij初步校正值＝Ij原始值·(Rj2/RA2)，其中，Rj＝H-Zj，RA＝H-Z平均；式中，H為機載LiDAR數據獲取時的飛行航高；Zj為激光點Pj高程值，j＝1,…,n；Rj為激光點Pj對地傳輸距離；RA為整個測區的n個激光點平均對地傳輸距離；Ij原始值為激光點Pj回波強度原始值；Ij初步校正值為激光點Pj回波強度初步校正值。步驟2包括以下步驟：步驟2.1分析平面距離采用下式計算臨近激光點平面距離：Lj=(X(Pj)-X(Pj-1))2+(Y(Pj)-Y(Pj-1))2]]>Rj=(X(Pj+1)-X(Pj))2+(Y(Pj+1)-Y(Pj))2]]>式中，Lj為激光點Pj與相臨近的Pj-1的平面距離；Rj為激光點Pj與相臨近的Pj+1的平面距離；(X(Pj)、Y(Pj))為激光點Pj的投影坐標；(X(Pj+1)、Y(Pj+1))為激光點Pj+1的投影坐標；(X(Pj-1)、Y(Pj-1))為激光點Pj-1的投影坐標；設定平面距離閾值，然后將Lj、Rj與平面距離閾值進行比較：若Lj、Rj均小于平面距離閾值，進行步驟2.2.1；若只有Rj小于平面距離閾值，進行步驟2.2.2；若只有Lj小于平面距離閾值，進行步驟2.2.3；若Lj、Rj均大于平面距離閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；步驟2.2設定高差閾值，分析高程值步驟2.2.1若激光點Pj的高程值同時大于其臨近激光點Pj-1和Pj+1的高程值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；否則，分別計算激光點Pj與激光點Pj-1的高程差、激光點Pj與激光點Pj+1的高程差，若上述兩個高程差均大于高程差閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；若上述兩個高程差均小于高程差閾值，則進行步驟2.3.1；若只有激光點Pj與激光點Pj+1的高程差小于高程差閾值，則進行步驟2.3.2；若只有激光點Pj與激光點Pj-1的高程差小于高程差閾值，則進行步驟2.3.3；步驟2.2.2計算激光點Pj與激光點P本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1回波強度初步校正；步驟2確定激光點趨勢角；步驟3回波強度最終校正。

【技術特征摘要】
1.一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法，其特征在于：包括以下步驟：步驟1回波強度初步校正；步驟2確定激光點趨勢角；步驟3回波強度最終校正。2.根據權利要求1所述的一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度值校正方法，其特征在于：步驟1中，首先采用依據下式計算高程平均值：Z平均＝(Z最高+Z最低)/2式中，Z最高為高程最大值；Z最低為高程最小值；Z平均為高程平均值；然后依據下式進行回波強度初步校正：Ij初步校正值＝Ij原始值·(Rj2/RA2)，其中，Rj＝H-Zj，RA＝H-Z平均；式中，H為機載LiDAR數據獲取時的飛行航高；Zj為激光點Pj高程值，j＝1,…,n；Rj為激光點Pj對地傳輸距離；RA為整個測區的n個激光點平均對地傳輸距離；Ij原始值為激光點Pj回波強度原始值；Ij初步校正值為激光點Pj回波強度初步校正值。3.根據權利要求2所述的一種非植被覆蓋區機載LiDAR數據回波強度
\t值校正方法，其特征在于：步驟2包括以下步驟：步驟2.1分析平面距離采用下式計算臨近激光點平面距離：Lj=(X(Pj)-X(Pj-1))2+(Y(Pj)-Y(Pj-1))2]]>Rj=(X(Pj+1)-X(Pj))2+(Y(Pj+1)-Y(Pj))2]]>式中，Lj為激光點Pj與相臨近的Pj-1的平面距離；Rj為激光點Pj與相臨近的Pj+1的平面距離；(X(Pj)、Y(Pj))為激光點Pj的投影坐標；(X(Pj+1)、Y(Pj+1))為激光點Pj+1的投影坐標；(X(Pj-1)、Y(Pj-1))為激光點Pj-1的投影坐標；設定平面距離閾值，然后將Lj、Rj與平面距離閾值進行比較：若Lj、Rj均小于平面距離閾值，進行步驟2.2.1；若只有Rj小于平面距離閾值，進行步驟2.2.2；若只有Lj小于平面距離閾值，進行步驟2.2.3；若Lj、Rj均大于平面距離閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；步驟2.2設定高差閾值，分析高程值步驟2.2.1若激光點Pj的高程值同時大于其臨近激光點Pj-1和Pj+1的高程值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；否則，分別計算激光點Pj與激光點Pj-1的高程差、激光點Pj與激光點Pj+1的高程差，若上述兩個高程差均大于高程差閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；若上述兩個高程差均小于高程差閾值，則進行步驟2.3.1；若只有激光點Pj
\t與激光點Pj+1的高程差小于高程差閾值，則進行步驟2.3.2；若只有激光點Pj與激光點Pj-1的高程差小于高程差閾值，則進行步驟2.3.3；步驟2.2.2計算激光點Pj與激光點Pj+1的高程差，若高程差大于高程差閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0直接進行步驟3，否則進行步驟2.3.2；步驟2.2.3計算激光點Pj與激光點Pj-1的高程差，若高程差均大于高程差閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0直接進行步驟3，否則進行步驟2.3.3；步驟2.3設定回波強度差閾值，分析回波強度值2.3.1計算激光點Pj與激光點Pj-1的回波強度差、激光點Pj與激光點Pj+1的回波強度差：若上述兩個回波強度差都大于回波強度差閾值，則將激光點Pj的趨勢角βj取0，直接進行步驟3；若上述兩個回波強度差都小于回波強度差閾值，進行步驟2.4.1；若只有激光點Pj與激光點Pj+1的回波強度差小于回波強度差閾值，則進行...

【專利技術屬性】
技術研發人員：伊丕源，童鵬，錢坤，趙英俊，吳文歡，
申請(專利權)人：核工業北京地質研究院，
類型：發明
國別省市：北京;11