Geometric calibration of satellite laser altimeters based on waveform matching. (7th May 2021)

• Record Type: Journal Article
• Authors: Li, Shaoning; Li, Chaokui; Zhang, Guo; Wang, Yanan
• Is Part Of: Photogrammetric record. Volume 36:Number 174(2021)
• Page Start: 104
• Page End: 123
• Publication Date: 2021-05-07
• Subjects: error analysis -- full waveform -- geometric calibration -- satellite laser altimeter -- waveform matching; Photogrammetry -- Periodicals; 526.982
• DOI: 10.1111/phor.12362
• Languages: English
• ISSNs: 0031-868X

Abstract

Abstract: This study proposes a new geometric calibration method for satellite laser altimeters based on waveform matching to solve the problems of poor initial pointing accuracy and a lack of control data. This non‐real‐time method obtains ground control points without a fixed calibration field. First, a large area with stepped surfaces is chosen from the laser altimetry coverage. Then, the laser echo waveforms are simulated using digital surface model (DSM) data of the stepped features. The real echo waveform attempts to match the simulated echo waveforms through a waveform matching model using a global constraint. Next, the control points of the laser altimeter are obtained through waveform matching. Finally, a geometric calibration model for laser altimeters is proposed to compensate for laser pointing and ranging errors. Two experiments were conducted to verify the calibration method using ICESat/GLAS data and airborne large‐footprint laser data. Experimental results confirm that the method is feasible and results in an improvement in the elevation accuracy for the airborne altimeter from 2 to 0.5 m. Abstract : This study proposes a new geometric calibration method for satellite laser altimeters based on waveform matching to solve the problems of poor initial pointing accuracy and a lack of control data. Simulated laser echo waveforms from DSM data are matched to real echoes to derive the control points. A geometric calibration model compensates for laser pointing and ranging errors. Verification experiments used both satellite and airborne laser data. Résumé: Cette étude propose une nouvelle méthode d'étalonnage géométrique pour les altimètres laser spatiaux basée sur l'appariement de formes d'onde, pour résoudre les problèmes du pointage initial peu précis et du manque de données d'appui. Cette méthode en temps différé fournit des points d'appui même sans dispositif pérenne d'étalonnage. Dans un premier temps, un site étendu présentant des faces verticales est choisi au sein de la zone de couverture de l'altimètre laser. Puis les formes d'onde des échos laser sont simulées grâce à un modèle numérique de surface (MNS) sur les objets verticaux. On cherche à apparier la forme d'onde de l'écho réel avec celle des échos simulés au moyen d'un modèle d'appariement de formes d'onde utilisant une contrainte globale. Les points d'appui de l'altimètre laser sont alors obtenus par l'appariement des formes d'onde. Enfin, un modèle d'étalonnage géométrique d'altimètre laser est proposé pour compenser les erreurs de pointage et de mesure de distance du laser. Deux expériences ont été menées pour vérifier la méthode d'étalonnage sur les données de ICESat/GLAS et d'un laser aéroporté à large empreinte. Les résultats expérimentaux confirment que la méthode est réalisable et améliore la précision altimétrique de l'altimètre aéroporté de 2 à 0, 5 m. Zusammenfassung: In dieser Studie wird eine neue geometrische Kalibrierungsmethode für Satellitenlaseraltimeter vorgestellt, die basierend auf Wellenformanpassung die Probleme von schwachen, initialen Ausrichtgenauigkeiten und einem Mangel an Kontrollinformationen löst. Diese Methode, die nicht in Echtzeit arbeitet, produziert Passpunkte ohne ein festes Kalibrierfeld. Zunächst wird ein großes Gebiet mit abgestuften Oberflächen aus den Laseraltimeterdaten ausgewählt. Dann werden die Wellenformen der Laserechos mit Hilfe von digitalen Oberflächenmodellen (DSM) der abgestuften Merkmale simuliert. Es wird angestrebt, die reale Wellenform des Echos in zu den simulierten Wellenformen der Echos durch ein Modell für eine Wellenformanpassung mit Hilfe einer globalen Randbedingung zuzuordnen. Danach werden die Passpunkte des Laseraltimeters durch die Wellenanpassung erzeugt. Zuletzt wird ein geometrisches Kalibrierungsmodell für Laseraltimeter vorgeschlagen, um Fehler in der Ausrichtung und der Entfernungsmessung zu kompensieren. Zwei Experimente sollen die Kalibrierungsmethode auf der Basis von ICESat/GLAS Daten und flugzeuggestützten Laserdaten mit großen Fußabdruck verifizieren. Die Ergebnisse der Experimente bestätigen, dass die Methode anwendbar ist, und eine Verbesserung der Höhengenauigkeit des flugzeuggestützten Laseraltimeters von 2 auf 0.5 m erzielt werden konnte. Resumen: En este se estudio propone un nuevo método de calibración geométrica para altímetros láser satelitales basado en la correspondencia de formas de onda para resolver los problemas de pobre precisión inicial y de falta de datos de control. Este método, que no es en tiempo real, obtiene puntos de control sin disponer de un campo de calibración fijo. Primero, de la cobertura láser se selecciona un área grande con superficies escalonadas. Luego, se simulan las formas de onda del eco láser de las características escalonadas utilizando el modelo de superficie digital (DSM). Se intenta corresponder la forma de onda del eco real con las formas de onda del eco simulado mediante un modelo de correspondencia de formas de onda utilizando una restricción global. A continuación, los puntos de control del altímetro láser se obtienen mediante la correspondencia de formas de onda. Finalmente, se propone un modelo de calibración geométrica para altímetros láser para compensar los errores de puntería y distancia del láser. Se realizaron dos experimentos para verificar el método de calibración utilizando datos ICESat/GLAS y datos de láser aerotransportado de huella de gran tamaño. Los resultados experimentales confirman que el método es factible y proporciona una mejora en la precisión de la elevación del altímetro aerotransportado de 2 a 0, 5 m. 摘要: 本文针对激光测高卫星初始定位精度差、控制数据获取困难等问题，提出一种基于波形匹配的激光测高仪几何定标方法。该方法不依赖于固定场地，通过卫星测量数据的后处理来实现控制点提取。首先选择测区内具有阶跃地表的激光测量数据，并结合高精度地表模型数据仿真激光回波信号，提出了全局特征约束的激光波形匹配方法，实现激光仿真波形与真实波形的匹配关联和激光光斑平面位置的约束，从而获取激光几何定标所需的控制数据，实现激光测高仪的几何定标与误差补偿。本文采用ICESat/GLAS激光数据和机载大光斑激光数据分别验证了该方法的可行性，实验结果显示经过定标处理后的机载激光测高精度由2提升到0.5m以内。