《对地观测卫星线性体制激光全波形数据处理技术规范》（报批稿）.docx

ICSCCS07. 040A76CH中 华 人 民 共 和 国 测 绘 行 业 标 准CH/T XXXXXXXX对地观测卫星线性体制激光全波形数据处 理技术规范Technical specification for data processing of laser full waveform in linear system of earth observation satellite（报批稿）XXXX - XX - XX 发布XXXX - XX - XX 实施CH/T XXXXXXXX目 次前言 III引言 IV1 范围 12 规范性引用文件 13 术语和定义 14 符号和缩略语 24.1 符号 24.2 缩略语 25 总体要求 35.1 源数据的完整性 35.2 处理精度 36 处理流程 37 数据准备 57.1 输入数据准备 57.2 数据筛选 58 波形数据预处理 58.1 背景噪声水平估计 58.2 回波波形的平滑滤波 68.3 发射波形的平滑滤波 68.4 波形信号起止时刻计算 68.5 波形信噪比计算 68.6 波形质量评价与控制 68.7 波形数据预处理后的数据和参数输出 79 波形分解 79.1 波形分解方法 79.2 回波波形高斯分量参数初始值估计 79.3 发射波形高斯分量参数初始值估计 89.4 波形拟合 810 波形特征参数提取 1110.1 输入回波波形和基础波形特征参数 1110.2 波形分位数高度提取 1110.3 波形高度指数提取 1110.4 波形能量指数提取 1211 过程记录 1312 成果整理与资料归档 1312.1 成果整理 13ICH/T XXXXXXXX12.2 资料归档 13附录 A (资料性) 激光全波形数据和辅助数据 14附录 B (资料性) 全波形数据处理方法 15附录 C (资料性) 波形分解输出参数 19附录 D (资料性) 全波形数据处理结果和波形特征参数提取结果示例 22附录 E (资料性) 全波形数据和波形特征参数格式示例 30参考文献 31IICH/T XXXXXXXX前 言本文件按照GB/T 1. 12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起 草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中华人民共和国自然资源部提出。本文件由全国地理信息标准化技术委员会卫星应用分技术委员会(SAC/TC230/SC3)归口。本文件起草单位： 自然资源部国土卫星遥感应用中心、湖南科技大学、山东农业工程学院、中国科 学院空天信息创新研究院、武汉大学、东北林业大学。本文件主要起草人：谢俊峰、唐新明、刘诏、莫凡、李国元、薛玉彩、李少宁、陈继溢、杨晨晨、 聂胜、倪文俭、周辉、王成、邢艳秋、傅征博。IIICH/T XXXXXXXX引 言卫星激光测高是采用装载于卫星平台的激光测高仪对地形地物进行高程测量的主动遥感技术。对地 观测卫星激光测高仪能够快速获取全球高精度高程控制点甚至三维地形，同时在极地冰雪测量、植被高 度及生物量估算、海面高度测量、湖泊水库水位测量以及云高测量等方面均发挥重要作用。自 2016 年开 始，我国对地观测卫星激光测高技术得到了快速发展，资源三号 02 星搭载的国内首个对地观测试验性激 光测高载荷有效获取了激光测高数据，资源三号 03 星、高分七号相继发射并已实现激光测高产品业务化 生产，陆地生态系统碳监测卫星（句芒号） 已经发射，更先进的陆海激光高程测量卫星也在规划中。激光全波形数据处理是卫星激光数据处理和专题应用的重要环节。针对卫星激光测高全波形数据的 特点，为满足全波形卫星激光测高技术快速发展的需要，特制定对地观测卫星线性体制激光全波形数据 处理技术规范，本文件与 CH/T 30302023对地观测卫星激光几何检校技术规范、CH/T 30292023 对地观测卫星激光测高数据处理技术规范、CH/T 3027 2023对地观测卫星激光测高数据产品、 CH/T 30282023对地观测卫星激光测高数据质量评价指标及方法配套使用。IVCH/T XXXXXXXX对地观测卫星线性体制激光全波形数据处理技术规范1 范围本文件规定了对地观测卫星线性体制激光全波形数据处理的总体要求、处理流程、数据准备、波形 数据预处理、波形分解、波形特征参数提取、过程记录、成果整理与资料归档等内容。本文件适用于从对地观测卫星线性体制激光全波形数据中提取波形特征参数的全波形数据处理，用 于对地观测卫星激光测高标准数据产品和专题产品中波形相关参数的生产。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本 文件。GB/T 18316 数字测绘成果质量检查与验收CH/T 1001 测绘技术总结编写规定CH/T 30282023 对地观测卫星激光测高数据质量评价指标及方法CH/T 30292023 对地观测卫星激光测高数据处理技术规范3 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1线性体制激光 linear system laser采集的模拟电脉冲信号与激光脉冲回波信号成线性关系的激光。3.2激光全波形数据 laser full-waveform data以不大于四分之一激光发射光源全脉宽采样间隔，离散化记录的激光发射脉冲和目标后向散射回波 脉冲强度信号。注：一般用一系列采样点时刻（或采样点帧数）对应的幅值（即信号强度）表示。3.3地面回波 ground echo经激光雷达数字化采集的由地表反射的激光脉冲信号。3.4波形特征参数 waveform characteristic parameters表征波形特征的度量参数。注：包括波形分解得到的高斯分量的振幅、中心位置及脉宽等基础波形特征参数，以及波形分位数高度、波形高度指 数和波形能量指数等专题波形特征参数。3.5波形特征参数提取 extraction of waveform characteristic parameters采用波形分解提取基础波形特征参数，并在此基础上，结合回波波形及其有效信号的起始和结束时 刻等信息，提取表征目标垂直结构分布度量参数的过程。3.6波形分位数高度 height of waveform energy quartiles计算某一位置回波能量累积值相对有效回波信号总能量占比的分位数，该分位数对应位置与地面回 波峰值位置之间的距离。注：通常从回波波形有效信号的结束时刻开始累积有效回波信号的能量。3.71CH/T XXXXXXXX波形高度指数 waveform height index波形中某两个时刻之间对应时间间隔激光传输的距离。注：主要包括波形全高、波形长度、波峰长度、半波能量高、波形的前缘长度和波形的后缘长度等指数。 3.8波形能量指数 waveform energy index表征波形中回波能量、某个回波分量的能量、两个回波分量之间的能量比等。注：主要包括回波总能量、回波相对能量、地面回波能量、冠层回波能量、地面回波能量比例以及冠层回波能量比 例等。3.9波形数据预处理 waveform data preprocessing对全波形数据进行背景噪声水平估计和滤波以实现波形去噪的处理过程。3.10波形分解 waveform decomposition利用高斯分解等算法提取激光发射波形或回波波形高斯分量的振幅、中心位置、脉宽等特征参数的 过程。注：其中高斯分量脉宽特指均方根脉宽。3.11波形拟合 waveform fitting通过一定的模型函数拟合形成近似波形，从而逼近激光发射波形或回波波形的优化过程。4 符号和缩略语4.1 符号下列符号适用于本文件。ec ：冠层回波能量。eG ：地面回波能量。eR ：回波总能量。H25 ：累计能量达到回波波形有效信号总能量25%时的位置距离地表的高度。H50 ：累计能量达到回波波形有效信号总能量50%时的位置距离地表的高度。H75 ：累计能量达到回波波形有效信号总能量75%时的位置距离地表的高度。H100 ：累计能量达到回波波形有效信号总能量100%时的位置距离地表的高度。LD ：波形长度。LL ：波形前缘长度。Lp ：波峰长度。LT ：波形后缘长度。LW ：波形全高。SNRw ：回波波形信噪比。SNRf ：波形数据预处理后回波波形的信噪比。：回(地)波(物)波(返)形(回)所(信)有(号)采(检)样(测)点(阈)幅(值)。值的平均值。4.2 缩略语下列缩略语适用于本文件。FWHM：半高全宽（Full Width at Half Maximum）HDF5：层次性数据格式第五版（Hierarchical Data Format Version 5）HOME：半波能量高（Height Of Median Energy）LM：列文伯格-马夸尔特法（Levenberg-Marquardt）RMS：均方根（Root Mean Square）RMSE：均方根误差（Root Mean Square Error）2CH/T XXXXXXXX5 总体要求5.1 源数据的完整性源数据应包括发射波形、回波波形和辅助数据，激光全波形数据和辅助数据见附录A 。源数据的完 整性应符合以下要求：a) 发射波形数据应为一组规定采样时间间隔和个数的有效离散数据，应包含数据单位、数据类型、 采样间隔等，发射波形数据示例见表A. 1；b) 回波波形数据应为一组规定采样时间间隔和个数的有效离散数据，应包含数据单位、数据类型、 采样间隔等，回波波形数据示例见表A. 1；c) 辅助数据应包含激光发射波形和回波波形相关的时刻信息等，应包含数据单位、数据类型等， 辅助数据示例见表A.2。5.2 处理精度将波形拟合残差的RMSE作为激光测高全波形数据处理精度的评价指标。波形拟合残差RMSE宜小于4.5 倍的背景噪声标准差。6 处理流程对地观测卫星线性体制激光全波形数据处理技术流程见图 1。3CH/T XXXXXXXX图1 对地观测卫星线性体制激光全波形数据处理技术流程4CH/T XXXXXXXX7 数据准备7.1 输入数据准备按照5.1的要求，准备发射波形数据、回波波形数据、辅助数据。7.2 数据筛选7.2.1 筛选要求回波波形数据应符合以下要求：a) 回波波形中存在地物返回信号；b)