专利名称：基于小波分析的星载激光雷达波形数据分解方法
技术领域：
本发明是一项对地观测领域的技术，涉及一种对星载激光雷达波形数据处理的方 法，是一种通过利用小波分析来实现激光雷达波形数据分解的方法。本发明是一项具有应 用价值的信息处理技术。
背景技术：
激光雷达(Light Detection And Ranging，简称LiDAR)是一种集激光、全球定 位系统(GlobalPositioning System，简称 GPS)和惯性导航系统(Inertial Navigation Systems，简称INS)技术于一身的用于快速获取地面及地面目标三维高空间分辨率信息的 主动式观测系统，LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统(EOS)计 划最核心的信息获取与处理技术。
大光斑激光回波信号是由发射脉冲和激光光斑内的森林、地表参数共同决定的。 前者包括工作的波长、脉冲宽度、脉冲能量、光斑尺寸和记录回波脉冲的时间间隔。理想状 态下，激光脉冲是一个极短持续时间的方波以确保精度和高的垂直分辨率。事实上激光脉 冲的形状为曲线并有着一定的持续时间。一般而言，脉冲宽度远大于信号数字化的间隔，每 一个散射体将产生一个记录为许多帧的信号。连续的记录激光雷达的回波构成了回波波形，每一时刻的回波都对应着一个强 度一时间波形并且代表着该激光点范围内的一个截面积。波形记录的间隔时间越短，地物 的信息越详细，垂直分辨率越高。ICESat是美国2003年1月发射的科学试验卫星。该卫 星的目的是观测10至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 化密切相关的地球一大气系统变化。其搭载的地球科学激光测高仪(Geosciences Laser Altimeter System，简称GLAS)是目前唯一在轨运行的星载激光测高系统。GLAS采用全波 形记录的方式，陆地回波的时间间隔是1ns，记录544帧数据，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。但是与硬件的发展相比，波形数据的分解和处理方法的研究却相对滞后。对激光雷达波形数据分解的研究，国内外已经开展了一些工作。马洪超和李 奇(2009)利用改进EM算法对激光雷达波形数据进行分解，并申请了发明专利(一种基 于改进的EM算法的激光雷达波形数据分解的方法，申请号200710168907.9，公开号 CN101196562A)，该方法主要针对机载波形数据进行波形分解。美国航空航天局(NASA)对 GLAS波形数据进行分解并形成了全球免费下载产品，其波形分解算法是导数求解波形个 数、高斯拟合得到波形参数(http://nsidc.org/data/icesat)。另外，美国马里兰大学的 Hofton等人(2000)利用高斯拟合和最小二乘逼近方法进行波形数据分解。参考文献见附 件。

发明内容
本发明的目的就是提供一种处理星载激光雷达波形数据的方法。根据星载激光雷达波形数据符合高斯分布的特征，利用小波分析方法对星载激光雷达波形数据进行分解， 进而求得森林植被结构参数。实现本发明目的采用的技术方案基于小波分析的星载激光雷达波形数据分解方 法，包括以下步骤(1)读取GLAOl波形数据和GLA14经纬度信息；(2)根据GLAOl和GLA14两者共同字段进行匹配，对匹配后的结果按照条件进行筛 选；(3)将count值转换成volt值，对转换后的波形进行滤波处理；
(4)利用5个不同尺度的高斯小波基对波形数据进行分析，记录不同尺度下的波 峰位置信息；(5)对5个尺度下得到的峰值利用3倍标准差和阈值进行筛选，对波形中的噪声进 行剔除；(6)记录5个不同尺度下各峰值附近的波形的对称性信息，作为后期信息筛选条 件；(7)对5个尺度下的分析结果同时进行搜索，找到第一个记录峰值位置的信息。搜 索其后3个时间间隔内是否有峰值位置信息，如有则记录。对记录的全部峰值位置信息以 第六步中的信息筛选条件进行筛选，得到最优的峰值位置，对于查找后面的峰值信息使用 相同的方法；(8)根据以上处理结果可以得到起止波的波峰位置，可进一步计算得到波形长度 及相关的树高信息等。


下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。图1是本发明的技术路线流程图。图2是原始波形数据。图3是转换成volt后的波形数据。图4是经过滤波后的波形数据。图5是尺度1下小波分析得到的峰值位置信息。图6是尺度2下小波分析得到的峰值位置信息。图7是尺度3下小波分析得到的峰值位置信息。图8是尺度4下小波分析得到的峰值位置信息。图9是尺度5下小波分析得到的峰值位置信息。图10是得到的起止波形波峰位置信息。具体实施方法本发明提供的基于小波分析的星载激光雷达波形数据处理方法，技术流程图如图 1所示，其中主要包括以下步骤(I)GLAS数据产品GLAOl中包含星载激光雷达的原始波形数据。激光雷达原始 波形数据如图2所示，横坐标为波形数据的采样间隔(单位ms)，纵坐标为星载波形回波 count值。根据NASA提供的GLAS-ANC07文件，将纵坐标数值转换成电压volt值，结果如图3所示。GLA14中包含经纬度信息，根据GLAOl和GLA14相同字段匹配，可以得到每个激光 点的经纬度。(2)对波形数据进行初步筛选。由于GLAS产品数据中存在部分不可用信息，所以 在进行波形数据处理前，对得到的原始波形数据进行初步筛选。GLAS系统本身存在着系统 噪声，所以回波波形数据值必定大于0。当GLAOl原始波形中出现0时对波形数据进行剔 除。由于信号饱和的原因，当GLAOl波形数据数值中出现一定数量的255时对波形数据进 行剔除。当匹配的GLA14数据中经纬度出现异常值时对波形数据进行剔除。(3)对波形数据的噪声进行处理。信号在反射过程中由于受云和系统噪声等多因 素影响会产生波形噪声，如图2&3中振幅很小且抖动的信号视为噪声。利用多次均值滤波 对波形数据进行处理，经滤波处理后的波形数据中噪声得到了明显的抑制，结果如图4所
7J\ ο(4)对波形数据进行小波分析。由于回波波形数据可以看做若干不同σ的高斯波 形的叠加，所以对波形数据进行小波分析时选择了 5个尺度的高斯小波基进行分析，这样 可以得到不同σ高斯波形的叠加。五个尺度下的小波分析结果，可以反映出不同σ的高 斯波形对于原始波形的逼近程度。根据每个尺度下不同时间采样间隔信号的逼近程度得到 峰值位置信息，并利用标准差和噪音 阈值对得到的峰值位置信息进行筛选。当回波波形中 出现开始和结束波峰的强度相差悬殊时，采用一倍标准差和噪声阈值进行筛选，这样可以 很好的保留结束波形的信息；其他情况下采用三倍标准差和噪声阈值进行筛选，这样可以 剔除部分由噪声影响而产生的峰值位置信息。(5)结合五个尺度小波分析得到波形数据起止波峰位置。不同尺度下峰值的位置 如图5-9，由于不同高斯小波基对波形刻画的细致程度不一样σ越小细节刻画越细致，反 之细节刻画的细致程度降低，但对整体波形的宏观刻画会提高。对五个尺度的筛选结果同 时进行搜索，记录出现第一个峰值的位置。由于同一波形在不同尺度下的峰值信息会有细 微偏差，所以以第一个峰值位置为基准，在其后的一定间隔内(3ns)查找是否还有峰值出 现，如果出现峰值，则记录其峰值位置。将所有记录下的峰值位置根据波形对称性条件进行 筛选，得到最优的峰值位置，即开始波形的峰值位置。检索后面是否再有峰值，如有则波形 判断为多峰，反之为单峰。单峰情况下无需查找结束波形峰值位置。对于多峰波形则以倒 序查找方式得到结束波形的峰值位置，对于多峰中其他峰值位置的查找，方法同开始波形 波峰位置的查找。(6)在森林覆盖地区，利用开始和结束波形的峰值位置间距得到平均树高，开始和 结束波形的峰值位置如图10所示(图中虚线是GLA14产品中起止波峰位置信息，实线是本 发明得到的起止波峰位置信息)。结合GLA14产品中提供的经纬度可以得到不同地区的植 被平均高度。
权利要求
基于小波分析的激光雷达波形数据分解的方法，其特征在于包括以下步骤(1)读取GLA01波形数据，GLA14经纬度信息；(2)根据两者共同字段进行匹配，对匹配后的结果按照条件进行筛选；(3)将count值转换成volt值，对转换后的波形进行滤波处理；(4)利用5个不同尺度的高斯小波基对波形数据进行分析，记录不同尺度下的波峰位置信息；(5)对5个尺度下得到的峰值利用3倍标准差和阈值进行筛选，对波形中的噪声进行剔除；(6)记录5个不同尺度下峰值左右波形的对称性信息，作为后期筛选的一个条件；(7)对5个尺度下的分析结果同时进行搜索，找到第一个记录峰值位置的信息。搜索其后3个时间间隔内是否有峰值位置信息，如有则记录。对记录的全部峰值位置信息以第六步中的信息筛选条件进行筛选，得到最优的峰值位置，对于查找后面的峰值信息使用相同的方法；(8)根据上步的处理可以得到起止波的波峰位置，可以得到波形长度，以计算出相关的树高信息等。
2.根据权利要求1所述的方法，星载激光雷达波形数据去噪处理特征在于利用三次 均值滤波的方式消除了滤波窗口大小的限制问题；在小波分析中利用得到波形的标准差和 噪声均值作为波形的去噪阈值，将小于阈值的波形振幅赋值为零。
3.根据权利要求1所述的方法，星载激光雷达波形数据小波分析特征在于利用不同 尺度的小波基分析波形数据得到不同高斯波形叠加的分析结果；波形处理过程中防止波峰 位置震荡增加搜索空间。
全文摘要
基于小波分析的星载激光雷达波形数据处理方法是一项对地观测领域的技术，本发明提出了一种针对星载激光雷达波形数据的处理方法，利用小波分析得到不同σ的高斯波形，将不同高斯波叠加得到更符合原始波形的拟合波形。本发明使用的方法得到原始回波的起止位置，是一种性能可靠的波形处理方法。
文档编号G01S7/48GK101833087SQ20101017085
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者唐福鑫, 李利伟, 王成 申请人:王成;唐福鑫;李利伟