基于星载激光技术建筑区高程提取与影像高程控制点制作

汪为 国

四川成都 610000

摘要：由于激光足印面积较大，激光测高系统GLAS (Geoscience Laser Altimeter System原始回波信号是光斑内多个地物目标反射信号的综合叠加效应，难以直接提取非平坦地形光斑点的精确高程值，使得在建筑区等非平坦地区激光测高数据辅助遥感影像制作高程控制点受到很大的制约。目前，在建筑区等非平坦地形区域使用大光斑激光雷达测高数据作为高程控制点辅助遥感影像摄影测量的相关研宄和应用成果非常稀少。本文首先详细推导了星载激光测高光斑点直接地理定位的几何模型；随后根据GLA 14数据属性参数和GLA 01回波具体特征制定高质量激光测高点的筛选规则，并对建筑区域的结构类型进行详细分类，建立子波分量与具体建筑不同等高层的精确对应关系；最后利用建筑高度反演模型实现建筑区高程的精确提取，同时结合高分辨率遥感影像特征点制作建筑区高程控制点。试验结果表明，本文方法所制作的建筑区高程控制点达到了亚米级精度，将以往仅选取平坦裸露地形下的GLAS 激光测高数据作为高程控制点的应用范围扩展到建筑区域。

关键词：星载激光技术；高程提取；高程控制点；

1引言

系统梳理和总结国内外尤其是欧美国家在星载激光测高领域的技术方法和研究方向，对于指导我国自主建立激光测高卫星对地观测体系具有重要的借鉴与指导作用。航天摄影测量是星载激光测高数据应用的核心领域之一，采用星载激光测高数据辅助提高卫星立体影像几何定位精度特别是高程精度，与光学立体影像进行联合平差处理，提高其无控高程精度，满足控制点难以获得地区(如无人区、境外和城市建筑区)的测图精度，获得了航天摄影测量界的普遍认可。目前国内的激光测高全波形数据处理软件非常稀少，距离在多领域实际应用还有很大的距离，为更好的掌握和提升自主处理星载激光测高数据的能力，并扩展其应用范围，本文对星载激光测高全波形数据处理与应用的研究工作显得非常必要。

2高质量激光测高点筛选

ICESat/GLAS系统发射的激光脉冲在往返大气层的传播过程中，大气、云层以及足印内地形起伏等因素会造成回波脉冲产生散射、能量衰减、光斑位置偏移以及波形展宽等多重影响，最终导致激光测高值误差较大甚至完全错误，难以直接作高程控制点使用。同时GLAS激光光斑足印的直径达70余米，实际是一个“光:斑面”而不是传统意义上的“光斑点”。当光斑内存在高度不一的建筑物和植被等因素干扰时，回波信号是多种地物类型反射波形的叠加，不利于后续波形分解以及高精度高程控制点制作，因此需要对获取的激光测高数据按照一定规则筛选出高质量的激光测高点。

依据GLA14数据提供的经纬度坐标信息在谷歌影像上对激光光斑中心进行几何定位，将坐标异常值的激光测高点予以剔除;然后结合高分辨率遥感影像对光斑内的地物类型进行人工目视判读，筛选出光斑内地物类型单一(平顶建筑或袒露平地)的激光测高点，并建立激光测高回波信号与地面具体地物的精确对应关系；最后引入GLA14产品中的云量参数、高程可用性标记参数、饱和度改正标记参数、大气散射增益值和地表反射率等测距相关属性参数将不合格的激光测高点进行剔除，保留高质量的激光测高点。

3. 建筑高度提取

针对激光足印内平顶和斜顶建筑类型分别采用不同的高度估算方式，GLAS数据估算建筑高度模型。当激光光斑足印内为平顶建筑时，全波形分解获得的第一个子波分量对应光斑区最高的目标，即建筑物平顶，而最后一个的高斯分量对应于地面，通过两高斯子波分量峰值中心位置之间的时刻差可估算出平顶建筑相对高度值。

对于斜顶建筑类型，因建筑斜顶区域反射的能量较弱，在回波信号中的峰值特征不明显，通常表现为弱子波形，隐藏在由建筑屋顶反射的子波分量中。为减少斜顶建筑物高度估算误差，通常将回波有效起始位置作为建筑物的实际最高位置。利用渐进剥离分解方法将叠加在建筑楼顶子波分量中的斜顶弱子波形分解出来，从而精确探测建筑斜顶最高层对应的子波分量峰值中心位置。

4. 建筑物高程提取及高程控制点制作

在传统的地面控制点选取中，影像平面控制常采用三角网测量和导线测量等全站仪测量方式，而高程控制则采取人工水准测Ｍ的方式，不仅耗吋费力，也不利于大面积区域的测量工作。随着遥感影像测图技术的快速发展，产生了在高分辨遥感影像中选取如道路交叉点和房屋角点等具有明显特征的像素点作控制点的新方式，然而光学影像高程精度较差，通常仅用作平面控制：且在建筑区存在透视差影响，建筑区影像高程控制点的制作困难较大。

本文利用GLAS星载大光斑激光测高数据辅助高分辨率无人机航摄影像制作建筑区域高程控制点，有效提高遥感影像几何处理和定位精度。首先根据激光测高点筛选规则筛选出试验区内高质量的激光测高点。然后通过渐进剥离全波形分解和非线性最小二乘法整体拟合获得精确的各高斯子波参数，包括子波分量振幅值、峰值中心位置和半宽值，最后建立高斯子波分量与光斑内建筑不同等高层的精确对应关系。

5. 建筑物高程及高程控制点结果与分析

在城市建筑区域的高分辨率正射影像中，屋顶结构特征比地面特征点更为明显且重复使用性高，本文选取广州市部分建筑物无变化区域的GLAS激光测高点作为试验数据进行影像高程控制点制作试验通过渐进剥离全波形分解和非线性最小二乘拟合方法结合光斑区高分辨率影像，精确分解出建筑区不同高度层对应的波形分量，建立回波波形与具体建筑的精确对应关系，由峰值中心位置参数的时刻差结合激光测高原理计算不同平面层之间的相对高度，最终结合地面点高程解算建筑屋顶特征点绝对高程值。

为验证本方法提取控制点绝对高程值的可靠性，本文采用高分辨率的无人机航摄影像高程数据作为高程控制点的验证数据。GLAS激光测高数据辅助高分辨率航摄影像提取建筑屋顶特征点的绝对高程值结果。

经GLAS激光测高数据解算的建筑高程与航摄影像验证高程之间的均方根误差、相关系数和决定系数分别为0.7240 m. 99.87%和99.73%。试验结果表明，通过ＧＬＡＳ激光测高数据全波形分解方法提取高程控制点的绝对高程值与验证高程具有较强的相关性，有助于将星载大光斑激光测高数据辅助高分辨遥感影像摄影测量的应用范围从平坦地形区域扩展到建筑区等非平坦地形区域。

利用全波形大光斑激光测高数据提取的建筑区高程控制点绝对高程值与航摄影像验证高程值整体上相差不大，其中12个回波波形估算的建筑高程与验证高程间的高程差值绝对值的最小值为0.04m，最大值为1.40m。结合各GLAS激光测高点估算的建筑高程可解算出整体的差值平均值为0.6275 m，能够满足国标GB/T 12341-2008中对于1:50 000比例尺测图的高程控制点精度要优于1.0 m的指标要求。

6. 结束语

本文首先详细推导了星载激光测高光斑点直接地理定位的几何模型；随后根据GLA 14数据属性参数和GLA 01回波具体特征制定高质量激光测高点的筛选规则，并对建筑区域的结构类型进行详细分类，建立子波分量与具体建筑不同等高层的精确对应关系；最后利用建筑高度反演模型实现建筑区高程的精确提取，同时结合高分辨率遥感影像特征点制作建筑区高程控制点。试验结果表明，本文方法所制作的建筑区高程控制点达到了亚米级精度，将以往仅选取平坦裸露地形下的GLAS 激光测高数据作为高程控制点的应用范围扩展到建筑区域。

参考文献

1. 李国元，唐新明，张重阳，等.多准则约束的ICESat/GLAS高程控制点筛选[J].遥感学报2017, 21(1):96-104.

2. 张重阳.基于GLAS数据的广义高程控制点库的建设与应用[D].辽宁工程技术大学，2015.

3. GB/T 12341-2008. 1:25000 1:50000 1:100000地形图航空摄影量外业规范.2008.

作者：汪卫国，身份证号：511381198108049351。