近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王力研究員團(tuán)隊(duì)在全波形高光譜激光雷達(dá)（Full-waveform hyperspectral LiDAR，F(xiàn)WHSL）數(shù)據(jù)智能處理算法研究方面取得新進(jìn)展。新方法可以很好檢測(cè)多自然目標(biāo)并恢復(fù)其原始光譜，將大大提高全波形高光譜激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)和光譜信息的反演能力。

       高光譜激光雷達(dá)回波信號(hào)處理是高光譜激光雷達(dá)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“HSL系統(tǒng)”）各類(lèi)應(yīng)用開(kāi)展前的基礎(chǔ)步驟，其處理得到的輻射信息精度將直接決定后續(xù)定量反演或聚類(lèi)研究的誤差大小。傳統(tǒng)的波形處理技術(shù)主要是針對(duì)單波長(zhǎng)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。由于單一波長(zhǎng)光譜范圍的限制，單波長(zhǎng)分解結(jié)果通常無(wú)法捕獲沿激光路徑的目標(biāo)的光譜廓線(xiàn)，阻礙了目標(biāo)反射特性全面和精準(zhǔn)的刻畫(huà)與反映。HSL系統(tǒng)回波具有光譜脈沖復(fù)雜、不同波長(zhǎng)脈沖延遲異質(zhì)性、波形信噪比不同等特征，多自然目標(biāo)會(huì)使得回波復(fù)雜性大大增加，如何提出先進(jìn)的回波波形處理算法準(zhǔn)確反演如植被等自然目標(biāo)輻射特征對(duì)HSL系統(tǒng)而言是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

       該團(tuán)隊(duì)提出利用基于沿激光路徑上多自然目標(biāo)回波中心位置次序不變性原理，對(duì)多自然目標(biāo)各波長(zhǎng)上的所有中心位置進(jìn)行降序排列（Ranking Central Locations of Natural Target Echoes, Rclonte）后，推斷同一次序的中心位置大概率屬于某一自然目標(biāo)，基于以下詳細(xì)的篩選判定原則更新同一次序集中不合理中心位置：

       a.初始同一次序集內(nèi)的所有中心位置數(shù)量要大于1/8倍波長(zhǎng)數(shù)量，方可推定該初始同一次序?qū)?yīng)的數(shù)個(gè)組分在各個(gè)波長(zhǎng)上是真實(shí)存在的，且可能大概率屬于同一組分。

       b.由于隱藏波和弱波也可能存在波形中，而誤檢或漏檢現(xiàn)象帶來(lái)的屬于其他組分的中心位置就會(huì)在此基礎(chǔ)上帶入到了當(dāng)前次序組分，因此屬于同一次序的中心位置也可能并不全是來(lái)自同一目標(biāo)樣本組分的，我們需要進(jìn)一步做處理。為了處理上述現(xiàn)象，屬于同一次序的中心位置被列為了單獨(dú)的新集合，對(duì)該數(shù)據(jù)集合進(jìn)行進(jìn)一步合理（valid）中心位置的判定（何為valid組分，即指理論上完全屬于同一真實(shí)目標(biāo)樣本組分）。

       c.判定的原則是，要去剔除該次序中首尾兩端的虛假噪聲帶來(lái)的中心位置。依次遍歷剔除，只有當(dāng)首端兩相鄰組分的中心位置差小于1/2倍的半高寬F且尾端兩相鄰組分的中心位置差小于1/2倍的半高寬F時(shí)，認(rèn)為此時(shí)剩余的該次序中的中心位置屬于同一真實(shí)組分。

       d.合理的中心位置集合的均值以及他們對(duì)應(yīng)的半高寬F的均值被作為了漏檢和誤檢現(xiàn)象帶來(lái)的缺失中心位置和缺失F的初始參考值，去參與了進(jìn)一步的LM（Levenberg-Marquardt）優(yōu)化算法。

       研究發(fā)現(xiàn)，Rclonte算法波形擬合效果突出，Rclonte算法在各波長(zhǎng)的模擬和實(shí)測(cè)波形上均能良好檢測(cè)到目標(biāo)、具有出色的波形分解和擬合能力。光譜恢復(fù)結(jié)果表明該算法具有一定的探索沿激光路徑上自然目標(biāo)高光譜反射信號(hào)方面的能力，這在一定程度上也解決了過(guò)去高光譜激光雷達(dá)在真實(shí)場(chǎng)景下多自然目標(biāo)高光譜回波信號(hào)恢復(fù)這一難題。該算法豐富了高光譜激光雷達(dá)數(shù)據(jù)波形處理算法庫(kù)，可用于其他多/高光譜激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。

圖1. 模擬波形分解擬合結(jié)果

圖2. 實(shí)測(cè)波形分解擬合結(jié)果

圖3. 光譜恢復(fù)結(jié)果

       研究成果發(fā)表于遙感領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊Remote Sensing of Environment上。中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院白杰博士為第一作者，牛錚、王力研究員為通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目等資助。

       論文鏈接：

       https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425724002451?via%3Dihub