[发明专利]一种ICESat-2山区地表激光点云提取方法

说明书

本发明公开了一种ICESat‑2山区地表激光点云提取方法，通过两次直方图阈值粗去噪和基于坡度局部拟合的精细化去噪，不仅提高噪声光子去除效果而且增加了山区地面光子保留率；通过沿坡度方向动态窗口提高地面光子提取精度。本发明提取方法提取的地面光子比ATL08产品精度更高，尤其在坡度大于20°的山区。同时，该提取方法极大地提高了地面光子保留率，相邻光子间隔由ATL08产品的100 m缩小至2～7 m，能够更详细地描述地形起伏变化特征，从而为山区地表高程变化监测提供更为可靠的基础数据。

技术领域

本发明属于表层地球技术领域，涉及一种复杂地形条件下ICESat-2/ATL08激光点云提取方法。

背景技术

高精度地球表面高程是地形测绘、定量遥感、地质灾害监测等研究的重要依据。目前，地表高程测量的主要方法包括传统大地测量、摄影测量和雷达高度计测量。雷达高度计尤其是星载激光雷达(LiDAR)是一种新兴测高技术，具备全球连续周期观测能力，能够实时获取垂直精度高达厘米/毫米级的三维点云数据，已经成为地表高程变化的重要监测手段。三维点云数据与二维矢量地图和影像数据相比，是一种层次更丰富、显示更直观的数据呈现形式，更利于地理空间信息的表达。

现阶段的光子计数LiDAR 系统(ICEsat-2/ATLAS)采用多光束、暗计数单光子测量仪，能够接收能量极微弱的反射信号，减少了数据的不确定性并增加了采样密度，同时也大大降低了载荷体积、重量和功耗，可以充分利用机载和星载平台的有限资源获取大范围区域三维点云。但因激光采用波长较短的绿光波段且探测仪对反射物体具有较高灵敏度，使得传感器记录的光子数据受噪声影响较为严重。其噪声来源主要包括三个方面：太阳辐射背景噪声、大气作用和系统噪声，其中大气对传感器的影响尤为敏感，主要包括气体分子、气溶胶粒子、尘埃、云、雨等对激光信号的吸收和散射导致的大气衰减效应，以及大气密度随高度不同而导致的大气折射效应。因此，为了更加准确地提取测区的有效信息，必须对噪声点进行剔除。点云去噪是地面数据处理的第一步，也是关键一步，具有十分重要的作用。由于从传统的波形系统到ATLAS光子计数系统的技术变化，使得以前许多关于去噪的研究并不能直接用于单光子雷达技术。目前，众多学者提出的光子计数去噪主要包括图像去噪法、密度聚类去噪法和局部统计去噪法。

图像去噪法首先将激光点云栅格化为二维图像，再利用Sobel算子、Prewitt算子、Canny算子等微分算子卷积完成边缘或轮廓检测，用于噪声光子去除。但栅格化过程中容易损失部分有用信息，且对复杂地形去噪效果并不理想。另外很多学者根据信号光子点密度远大于噪声光子点密度的特点提出了密度聚类去噪算法并经过多次改进。与图像去噪法相比，密度聚类去噪法能够保留更多的信号光子，但仍然存在信号光子边缘噪声不能完全去除、地面和冠层光子与大气边界噪声光子难以区分、地形复杂区地面光子提取困难等问题。局部统计去噪法综合利用统计和离散数学等方法获得地物局部特征，解决了不同方向光子密度分布不均匀的问题，对地形起伏有一定的自适应能力，提高了植被冠层及冰川表面光子的准确性，极大地提高了平坦地表信号与噪声光子区分精度，已成为区分信号和噪声光子最常用的方法。但是，在地形复杂山区应用局部统计去噪法，仍然存在近地噪声光子被误分类、坡地光子保留率及提取精度低等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种ICESat-2山区地表激光点云提取方法，适用于地形复杂山区，能分类出地面光子，提高点云提取精度。

为此，本发明采用的技术方案是：一种ICESat-2山区地表激光点云提取方法，具体按以下步骤进行：