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激光雷达与高光谱遥感对地立体探测研究

激光雷达与高光谱遥感对地立体探测研究

传统的对地探测(常规航摄系统和卫星遥 感,包括一般高光谱成像和微波)的局限和缺 陷是难以有效地对大气和水下进行精确定量探 测、直接测距和定位.传统的对地探测已经越来 越难以满足当前和今后社会经济和科学技术发 展对大气、地面(水面)和水下,水底的高精度、 深层次空间数据日益增长的巨大需求。

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1激光雷达探测系统的研究现状与发展趋势

目前,国外的机载激光雷达探测系统已具备对地综合探测能力,有些系统已成功地进行了火星、月球和地球形状的探测。美国、加拿大、 澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统,是通过用机载激光测距设备、全球定位系统(GPS),陀螺稳定平台等直接进行距与定位而最终得到浅海地形的。比较典型的是美军现在使用的一种独具特色的激光雷达水下地形测量系统(SHOALS),它是釆用激光雷达技术远距离测量浅海深度、测绘海岸带的地形和监测海岸侵蚀的。目前国外70%的对地(浅 海、水下)地形探测都由机载激光雷达完成,其效率高于传统探测方法100倍以上。最近,挪威水文地理机载公司研发的水下测量和陆地地形测量鹰眼II机载激光雷达系统可以同时进行陆 域及海域地形测量鹰眼II内装有与激光头共轴的高分辨率相机,它能在一次飞行任务中同时完成海洋深测和地形高程测量,具有无缝连接的特点。

在星载激光雷达方面,人们已开展了基于星载激光雷达进行遥感图像的几何定位、测距 、气溶胶反演以及云层高度探测等研究。

在国内,华中科技大学研制了机载激光雷达并完成了南海洁净海水水下目标探测实验 ;中国科学院上海光机所研制了机载激光雷达(海测型)并完成了南海洁净海水、水下地形探测实验;中国科学院遥感所和上海技术物理研究所合作利用上海技术物理研究所研制的机载激光雷达系统(陆测型)和激光高度计成功地进行了高精度的城市地形测量和月球表面地形测量,国内 一些单位近期利用机载高光谱图像和激光雷达(陆测型)高精度对地探测系统分别在广西以及西藏布达拉宫地区实施了高精度的对地探测,中国林业科学研究院利用该设备在山东地区进行了林业探测实验。


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2激光雷达和高光谱对地立体探测的原理及其特点

空、天基激光雷达和高光谱对地探测系统本身可获取点对点的高光谱影像数据和激光雷达数据,方便了后续的影像匹配和信息融合。目 前,国外已有的机载激光雷达成像系统对每个激光点都能提供姿态、距离、反射率、影像数值 等六维信息。这说明立体探测系统在硬件实现上是可行的。

立体探测系统充分利用激光雷达对大气、 水体的穿透能力和高精度测距和空间定位的优势,通过消除非均匀大气、水体和地面、水底地形的影响,建立大气/水体程辐射、大气/水体光学厚度遥感数字图像和水面、水底正射影像。通过三维数字重建,便可获得地面、水面和水底 的数字地形图、数字地面模型和数字立体影像。研究探测目标的波谱特性和空间形态,建立相应的遥感反演和模式识别模型,对完成空、天基激光雷达对地成像立体探测的原理方法研究是有帮助的。

高光谱的波谱分辨率和空间分辨率高,探测的波谱范围广,但不具备精确测距、定位功能;激光雷达能量集中,单色性好,可实现全天候精确测距和定位。因此,激光雷达和高光谱的结 是主动和被动遥感优势的互补。

利用机载激光雷达和高光谱图像中每个像素的高精度高程数据(由激光雷达提供)可构建高精度的数字地形图和数字地面模型。此外,利 用地基激光雷达系统的高精度大气探测和激光雷达“双频”技术,并结合每个像素的激光雷达强度数据,还可进行大气、海洋、湖泊和河流的水深、水下地形、水体泥沙含量和水体参数(包括海洋次表面温度、密度、绿色和黄色物质浓度) 等探测。

对地目标探测的主要遥感依据是特定环境中目标的波谱特性和几何形状。其中目标的波谱特性是决定目标性质的最本质的遥感物理基础,而目标的几何形状则是目标的时间、空间分 布和表达。目标探测主要有:基于目标波谱特性和目标几何形状以及二者相结合的三种基本模 式。激光雷达和高光谱相结合的对地立体探测为实现上述三种遥感探测模式提供了可能。

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3结语

当前,受空、天基激光探测技术水平(主要是硬件)的限制,所获得的对地立体探测数据及其处理信息有不尽完善之处,但这并不影响我们对空、天基激光雷达对地立体成像探测的科学、 技术、原理、方法的探索和准备。事实证明,现有的激光技术和高光谱技术已经能满足我们以空、天基激光雷达为主进行对地立体探测原理和方法研究的基本条件。随着激光雷达和高光谱技术的进步,包括空间技术和信息处理技术以及高密度能源的应用,随着对激光与目标的相互作用及其高光谱响应机制认识的不断深入, 相信一个以激光雷达为主体,与高光谱相结合的新型、高效、高精度、逐渐成熟的“空、天基对地立体探测系统”将会很快岀现在遥感领域中。

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