单光子激光测高卫星陆海测绘应用关键问题研究

Single photon laser altimeter is the inevitable trend of the next generation laser altimeter satellite. The ICESat-2 is scheduled to be launched this year. It is imperative to carry out the key technology research of single photon laser altimeter satellite application in the field surveying and mapping, which is of great value for supporting the demonstration and development of domestic single photon laser altimeter satellite, and effectively reducing the "generation gap". This project will intend to focus on the dynamic adjustment of range width according to the terrain information, high background noise filtering of single photon laser and effective extraction of terrain information to meet the requirement of the applications. All of the work will be helpful for the domestic civilian single photon laser altimeter satellite demonstration and parameters design, and will provide scientific reference and technical support for the satellite project approval.

单光子激光测高卫星是下一代激光测量卫星的必然趋势，美国即将发射ICESat-2单光子激光测高卫星。开展单光子激光测高卫星陆海测绘应用关键技术研究势在必行，对于支撑国产单光子激光测高卫星的论证与发展、有效缩小与国外在激光测高卫星领域的“代际差距”具有重要价值。项目拟围绕卫星在轨后根据地形信息动态调整距离门宽度、单光子激光独有的高背景噪声有效滤除、有效提取地形信息满足应用需求等开展研究，最终为国产单光子激光测高卫星的指标论证与立项预研提供科学参考和技术支撑。

星载单光子激光测高具备主动获取全球地表及目标三维信息的能力，能为快速获取三维控制点以及立体测图提供服务，由于其脉冲高度甄别技术的优势，在内陆河流湖泊、陆海交界带、海岛礁浅海等区域表现出了良好的浅水测深能力，同时在极地冰盖厚度测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量以及全球气候监测等方面都可以发挥重要作用。项目主要面向星载单光子激光数据陆海统筹应用开展研究，发挥单光子技术高精度、高灵敏度以及光学影像低成本、高幅宽的优势，最终提升针对陆海交接带、远洋海岛礁的测绘能力，为陆海统筹规划策略提供服务。. 项目研究了距离门对单光子激光测高卫星探测概率以及测距精度的影响，结合激光雷达方程、单光子探测方程进行理论推导，采用不同宽度的距离门分析讨论，并利用蒙特卡洛方法进行模拟仿真试验。通过理论分析和仿真试验证明，距离门宽度对于探测概率影响不大，对于虚警概率具有较大影响。为保证对同一点重复观测，根据ICESat-2卫星的激光载荷参数，推导出光斑大小、光斑间距、激光重频三者之间的定量化关系。相关结论对于后续国产单光子激光测高卫星的设计与指标论证可提供一定参考。项目深入开展了单光子激光测高数据与影像复合进行陆海测绘试验与验证工作。针对单光子激光数据在背景噪声不一致和坡度较大区域的信号提取较为困难的难题，项目组提出基于多特征自适应的单光子点云去噪算法，有别于传统圆形或椭圆形滤波核，选择更加符合单光子点云数据特征的平行四边形滤波核，分别通过坡度、空间密度、噪声等多特征自适应识别信号。通过将ICESat-2探测的水深数据作为经验数据，采用对数线性模型和神经网络等经验模型简化理论参数，选择位于南海岛礁（一类水体）、近岸浅海（二类水体）的单光子点云数据，开展了主被动融合水深反演与验证，形成了相关技术成果和解决方案。. 项目发表期刊论文9篇、会议论文1篇，其中在行业顶尖级的期刊IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing、《测绘学报》、《红外与激光工程》期刊发表论文5篇，获得专利授权2项，培养研究生4名。主持第六届全国激光雷达大会星载激光雷达数据处理与应用分会场。