Research on background photon characteristics and filtering methods for ICESat-2 data

XIE Huan; HUANG Peiqi; XU Qi; YE Dan; SUN Yuan; LUAN Kuifeng; LIU Shijie; TONG Xiaohua

doi:10.37188/OPE.20233105.0631

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Research on background photon characteristics and filtering methods for ICESat-2 data

Three-dimensional topographic mapping | 更新时间：2023-03-22

- Research on background photon characteristics and filtering methods for ICESat-2 data
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 5, Pages: 631-643(2023)
- 作者机构：
  
  1.同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092
  2.上海市航天测绘遥感与空间探测重点实验室，上海 200092
  3.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233105.0631
  CLC： TP391.4
- Received：15 June 2022，
  
  Revised：05 July 2022，
  
  Published：10 March 2023
- 稿件说明：
移动端阅览
谢欢,黄佩琪,徐琪等.ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究[J].光学精密工程,2023,31(05):631-643.

XIE Huan,HUANG Peiqi,XU Qi,et al.Research on background photon characteristics and filtering methods for ICESat-2 data[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(05):631-643.
谢欢,黄佩琪,徐琪等.ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究[J].光学精密工程,2023,31(05):631-643. DOI： 10.37188/OPE.20233105.0631.

XIE Huan,HUANG Peiqi,XU Qi,et al.Research on background photon characteristics and filtering methods for ICESat-2 data[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(05):631-643. DOI： 10.37188/OPE.20233105.0631.

摘要

ICESat-2（Ice， Cloud and Land Elevation Satellite-2）是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星，可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外，还包含大气散射等背景信号，需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性，本文首先选取了六种地表覆盖类型（城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川）及不同观测条件的数据，对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明：白天观测数据的背景光子率平均为10

（点/秒）数量级，远高于夜晚观测数据的背景光子率——10

（点/秒）数量级，弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当，六种地表覆盖类型中，冰盖/冰川的背景光子率最高。然后，根据统计结果筛选出21组测高数据，并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验，分析精度后得出结论：改进局部密度法的去噪效果最佳，算法召回率、精准度和

值均大于0.90，算法较为稳定。最后，对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析，可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。

Abstract

ICESat-2 is the world's first laser altimetry satellite to use photon counting technology. It provides high-precision， three-dimensional， large-scale ground data that can be obtained rapidly. Altimetry data obtained using photon detection systems generally contain ground signals and background signals， such as atmospheric scattering， which must be filtered to obtain ground information. To analyze the distribution characteristics of ICESat-2 background and signal photons and the performance of the point cloud filtering algorithm， we selected data from six types of land cover （city， sea ice， desert， vegetation， ocean and ice sheet （or glacier）） in different observation conditions. A statistical analysis of the background rate was then performed. The results show that the average background rate of daytime observation data is 10

points per second， which is much higher than that of nighttime observation data （10

points per second）. The background rate of the weak beam is equivalent to that of the strong beam. Among the six types of land cover， the ice sheet （or glacier） has the highest background rate. Based on the statistical results， 21 datasets and seven representative point cloud filters were selected for denoising experiments. After analyzing the accuracy， we can conclude that the improved local density method with recall， accuracy， and

-measure values greater than 0.90 has the best denoising performance and is relatively stable. Finally， the performance， characteristics， and applicability of the seven filtering algorithms were summarized and analyzed. This can serve as a reference for the subsequent data use and selection of filtering algorithms.

关键词

Keywords

references

门华涛 . 星载激光雷达全波形数据处理与森林冠层高度反演［D］. 哈尔滨：东北林业大学， 2019 .

MEN H T . Spaceborne LiDAR Data Full Waveform Processing and Forest Canopy Height Inversion ［D］. Harbin ： Northeast Forestry University ， 2019 . （in Chinese）

位超杰，闫仁鹏，李旭东，等 . 三维成像激光雷达应用的亚纳秒激光器研究进展［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1270 - 1280 . doi: 10.37188/ope.20212906.1270 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212906.1270

WEI C J ， YAN R P ， LI X D ， et al . Research progress of sub-nanosecond lasers for 3D imaging lidar ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1270 - 1280 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20212906.1270 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20212906.1270

庞勇，李增元，陈尔学，等 . 激光雷达技术及其在林业上的应用［J］. 林业科学， 2005 ， 41 （ 3 ）： 129 - 136 . doi: 10.11707/j.1001-7488.20050322 http://dx.doi.org/10.11707/j.1001-7488.20050322

PANG Y ， LI Z Y ， CHEN E X ， et al . Lidar remote sensing technology and its application in forestry ［J］. Scientia Silvae Sinicae ， 2005 ， 41 （ 3 ）： 129 - 136 . （in Chinese） . doi: 10.11707/j.1001-7488.20050322 http://dx.doi.org/10.11707/j.1001-7488.20050322

谢栋平，李国元，王建敏，等 . 新型激光测高卫星ICESat-2在地学中的应用前景综述［J］. 测绘与空间地理信息， 2020 ， 43 （ 12 ）： 38 - 42， 45 . doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2020.12.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-5867.2020.12.010

XIE D P ， LI G Y ， WANG J M ， et al . An overview of the application prospect of new laser altimetry satellite ICESat-2 in geoscience ［J］. Geomatics ＆ Spatial Information Technology ， 2020 ， 43 （ 12 ）： 38 - 42， 45 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2020.12.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-5867.2020.12.010

范承成，德晓薇，郭金家，等 . 基于三角位移法姿态矫正的激光线扫描海底地形三维测绘［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 10 ）： 1170 - 1180 . doi: 10.37188/OPE.20223010.1170 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223010.1170

FAN C C ， DE X W ， GUO J J ， et al . 3D mapping of submarine topography by laser line scanning based on pose correction by triangular displacement method ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 10 ）： 1170 - 1180 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223010.1170 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223010.1170

NARINE L L ， POPESCU S ， NEUENSCHWANDER A ， et al . Estimating aboveground biomass and forest canopy cover with simulated ICESat-2 data ［J］. Remote Sensing of Environment ， 2019 ， 224 ： 1 - 11 . doi: 10.1016/j.rse.2019.01.037 http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2019.01.037

ABDALATI W ， ZWALLY H J ， BINDSCHADLER R ， et al . The ICESat-2 laser altimetry mission ［J］. Proceedings of the IEEE ， 2010 ， 98 （ 5 ）： 735 - 751 . doi: 10.1109/jproc.2009.2034765 http://dx.doi.org/10.1109/jproc.2009.2034765

EVANS T . Optical development system lab alignment solutions for the ICESat-2 ATLAS instrument ［J］. 2013 IEEE Aerospace Conference ， 2013 ： 1 - 11 . doi: 10.1109/aero.2013.6496939 http://dx.doi.org/10.1109/aero.2013.6496939

MARKUS T ， NEUMANN T ， MARTINO A ， et al . The Ice， Cloud， and land Elevation Satellite-2 （ICESat-2）： science requirements， concept， and implementation ［J］. Remote Sensing of Environment ， 2017 ， 190 ： 260 - 273 . doi: 10.1016/j.rse.2016.12.029 http://dx.doi.org/10.1016/j.rse.2016.12.029

季云飞，耿林，冯国旭，等 . 激光测高技术的发展趋势［J］. 激光与红外， 2011 ， 41 （ 8 ）： 830 - 833 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2011.08.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2011.08.002

JI Y F ， GENG L ， FENG G X ， et al . Progress and prospect of laser altimeter technology ［J］. Laser ＆ Infrared ， 2011 ， 41 （ 8 ）： 830 - 833 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2011.08.002 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2011.08.002

吴洪波，张新，王灵杰，等 . 单光子激光与中波红外共口径探测光学系统［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1260 - 1269 . doi: 10.37188/OPE.20212906.1260 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212906.1260

WU H B ， ZHANG X ， WANG L J ， et al . Common aperture optical system of single photon laser and medium wave infrared ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1260 - 1269 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212906.1260 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212906.1260

朱磊，黄庚华，欧阳俊华，等 . 光子计数成像激光雷达时间间隔测量系统研究［J］. 红外与毫米波学报， 2008 ， 27 （ 6 ）： 461 - 464 . doi: 10.3321/j.issn:1001-9014.2008.06.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-9014.2008.06.015

ZHU L ， HUANG G H ， OUYANG J H ， et al . Study on time interval measurement system in photon counting imaging lidar ［J］. Journal of Infrared and Millimeter Waves ， 2008 ， 27 （ 6 ）： 461 - 464 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1001-9014.2008.06.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-9014.2008.06.015

许艺腾 . 单光子激光测高数据处理技术研究：以MABEL数据为例［D］. 西安：西安科技大学， 2017 .

XU Y T . Research on the Date Processing Technology of Single Photon Laser Altimetry - taking MABEL date as a example ［D］. Xi'an ： Xi'an University of Science and Technology ， 2017 . （in Chinese）

XIE H ， XU Q ， YE D ， et al . A comparison and review of surface detection methods using MBL， MABEL， and ICESat-2 photon-counting laser altimetry data ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing ， 2021 ， 14 ： 7604 - 7623 . doi: 10.1109/jstars.2021.3094195 http://dx.doi.org/10.1109/jstars.2021.3094195

MAGRUDER L A ， STOUT K D ， et al . Noise filtering techniques for photon-counting ladar data ［C］. SPIE Defense， Security， and Sensing. Proc SPIE 8379 ， Laser Radar Technology and Applications XVII ， Baltimore ， Maryland， USA . 2012 ， 8379 ： 237 - 245 . doi: 10.1117/12.919139 http://dx.doi.org/10.1117/12.919139

AWADALLAH M ， GHANNAM S ， ABBOTT L ， et al . Active contour models for extracting ground and forest canopy curves from discrete laser altimeter data ［C］. 13th International Conference on LiDAR Applications for Assessing Forest Ecosystems 2013 ： 129 - 136 . doi: 10.1109/icip.2014.7026223 http://dx.doi.org/10.1109/icip.2014.7026223

CHEN B W ， PANG Y . A denoising approach for detection of canopy and ground from ICESat-2's airborne simulator data in Maryland， USA ［C］. Proc SPIE 9671 ， AOPC 2015 ： Advances in Laser Technology and Applications ， 2015 ， 9671 ： 383 - 387 . doi: 10.1117/12.2202777 http://dx.doi.org/10.1117/12.2202777

HORAN K H ， KEREKES J P . An automated statistical analysis approach to noise reduction for photon-counting lidar systems ［J］. 2013 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium-IGARSS ， 2013 ： 4336 - 4339 . doi: 10.1109/igarss.2013.6723794 http://dx.doi.org/10.1109/igarss.2013.6723794

朱笑笑，王成，习晓环，等 . ICESat-2星载光子计数激光雷达数据处理与应用研究进展［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 11 ）： 76 - 85 . doi: 10.3788/irla.8_2020-0259 http://dx.doi.org/10.3788/irla.8_2020-0259

ZHU X X ， WANG C ， XI X H ， et al . Research progress of ICESat-2/ATLAS data processing and applications ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 11 ）： 76 - 85 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla.8_2020-0259 http://dx.doi.org/10.3788/irla.8_2020-0259

BRUNT K M ， NEUMANN T A ， WALSH K M ， et al . Determination of local slope on the Greenland ice sheet using a multibeam photon-counting lidar in preparation for the ICESat-2 mission ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2014 ， 11 （ 5 ）： 935 - 939 . doi: 10.1109/lgrs.2013.2282217 http://dx.doi.org/10.1109/lgrs.2013.2282217

夏少波，王成，习晓环，等 . ICESat-2机载试验点云滤波及植被高度反演［J］. 遥感学报， 2014 ， 18 （ 6 ）： 1199 - 1207 . doi: 10.11834/jrs.20144029 http://dx.doi.org/10.11834/jrs.20144029

XIA S B ， WANG C ， XI X H ， et al . Point cloud filtering and tree height estimation using airborne experiment data of ICESat-2 ［J］. Journal of Remote Sensing ， 2014 ， 18 （ 6 ）： 1199 - 1207 . （in Chinese） . doi: 10.11834/jrs.20144029 http://dx.doi.org/10.11834/jrs.20144029

HERZFELD U C ， TRANTOW T M ， HARDING D ， et al . Surface-height determination of crevassed glaciers-mathematical principles of an autoadaptive density-dimension algorithm and validation using ICESat-2 simulator （SIMPL） data ［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing ， 2017 ， 55 （ 4 ）： 1874 - 1896 . doi: 10.1109/tgrs.2016.2617323 http://dx.doi.org/10.1109/tgrs.2016.2617323

WANG X ， PAN Z G ， GLENNIE C . A novel noise filtering model for photon-counting laser altimeter data ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2016 ， 13 （ 7 ）： 947 - 951 . doi: 10.1109/lgrs.2016.2555308 http://dx.doi.org/10.1109/lgrs.2016.2555308

ZHANG J S ， KEREKES J ， CSATHO B ， et al . A clustering approach for detection of ground in micropulse photon-counting LiDAR altimeter data ［J］. 2014 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium ， 2014 ： 177 - 180 . doi: 10.1109/igarss.2014.6946385 http://dx.doi.org/10.1109/igarss.2014.6946385

谢锋，杨贵，舒嵘，等 . 方向自适应的光子计数激光雷达滤波方法［J］. 红外与毫米波学报， 2017 ， 36 （ 1 ）： 107 - 113 . doi: 10.11972/j.issn.1001-9014.2017.01.019 http://dx.doi.org/10.11972/j.issn.1001-9014.2017.01.019

XIE F ， YANG G ， SHU R ， et al . An adaptive directional filter for photon counting Lidar point cloud data ［J］. Journal of Infrared and Millimeter Waves ， 2017 ， 36 （ 1 ）： 107 - 113 . （in Chinese） . doi: 10.11972/j.issn.1001-9014.2017.01.019 http://dx.doi.org/10.11972/j.issn.1001-9014.2017.01.019

ZHU X X ， NIE S ， WANG C ， et al . A ground elevation and vegetation height retrieval algorithm using micro-pulse photon-counting lidar data ［J］. Remote Sensing ， 2018 ， 10 （ 12 ）： 1962 . doi: 10.3390/rs10121962 http://dx.doi.org/10.3390/rs10121962

ZHU X X ， NIE S ， WANG C ， et al . A noise removal algorithm based on OPTICS for photon-counting LiDAR data ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2021 ， 18 （ 8 ）： 1471 - 1475 . doi: 10.1109/lgrs.2020.3003191 http://dx.doi.org/10.1109/lgrs.2020.3003191

ZHANG G P ， XU Q ， XING S ， et al . A noise-removal algorithm without input parameters based on quadtree isolation for photon-counting LiDAR ［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters ， 2022 ， 19 ： 1 - 5 . doi: 10.1109/lgrs.2021.3081721 http://dx.doi.org/10.1109/lgrs.2021.3081721

Views

1465

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Inversion of Nearshore Lake Water Turbidity Based on Photon Distribution Characteristics from Spaceborne Lidar

Related Author

CHEN Heng

HE Rong

WU Xiaoling

ZHANG Shuaishuai

ZHU Chenchen

Related Institution

School of Surveying and Land Information Engineering ，Henan Polytechnic University

AI问答

Address：No.3888 Dong Nanhu Road, Changchun, Jilin, China Postal code：130033
Tel：0431-86176855 Email：gxjmgc@ciomp.ac.cn
Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 吉ICP备11002662号-17 京公网安备11010802024621
It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.

⁰