李国元1,2
,
高小明1,2
,
陈继溢1
,
赵严铭1,3
,
莫凡1
,
张悦1
|
收稿日期: 2017-06-12; 预印本: 2018-04-19
基金项目: 国家自然科学基金(编号：41601505，41971425)；国家重点研发计划(编号：2016YFE0205300)；高分辨率对地观测青年创新基金(编号：GFZX04061502)
第一作者简介: 李国元，1984年生，副研究员，研究方向为激光测高卫星数据处理与应用研发。E-mail：ligy1984@qq.com
|
摘要
近几年来，中国的对地观测卫星激光测高技术发展较快，资源三号02星上搭载了国内首台对地观测的卫星激光测高试验载荷，在后续的高分七号、陆地生态系统碳监测卫星上均装备业务化应用的激光测高仪，开展国产对地观测卫星激光测高数据质量分析研究非常必要,能有效填补国内空白并推动相关技术发展。本文对资源三号02星载荷的激光测高数据进行了严密几何处理，重点从夜间观测、卫星小角度侧摆、海面区域等不同条件下的数据质量进行了分析，对数据的平均可用率进行了统计分析。试验表明，资源三号02星激光测高仪能获得约30%有效测高数据，在夜间数据有效利用率略有提高，在大型水面也能获得有效数据，经后处理后在平坦地区验证的绝对高程精度优于1.0 m，部分点高程精度优于0.5 m，硬件本身的测距精度和卫星姿态测量误差是主要的误差源。相关结论对于后续国产卫星激光测高载荷的研制以及数据后处理和应用具有参考价值。
关键词
遥感, 卫星激光测高, 资源三号02星, 数据处理, 质量分析, 卫星侧摆, 夜间观测
LI Guoyuan1,2
,
GAO Xiaoming1,2
,
CHEN Jiyi1
,
ZHAO Yanming1,3
,
MO Fan1
,
ZHANG Yue1
Abstract
Civilian earth observation satellite laser altimetry has developed rapidly in recent years. The ZY-3 02 satellite was launched and loaded as the first Chinese earth-observing satellite laser altimeter. The GF-7 satellite and terrestrial ecosystem carbon monitoring satellite with laser altimeter will be launched in the next several years. Analyzing the quality of national laser altimetry data is important to fill in the knowledge gap and boost the development of civilian laser altimetry technique. All the laser altimetry data in this study were processed using the rigorous geometric model. The data availability ratio and quality of the sea surface or during the side swing of the satellite was analyzed. The absolute elevation accuracy of laser footprint points was also evaluated using high-precision referenced terrain data. The availability ratio of ZY-3 02 laser altimetry data was approximately 30%. On the flat terrain, the quality and availability were relatively better than those of other terrains, and the absolute elevation accuracy could reach 1.0 m on flat terrains. The ZY-3 02 satellite laser altimeter can obtain efficient laser data during the on-orbit experiment, and the total availability is not high. However, it is relatively better at night and on flat regions. Intrinsic ranging error and attitude measurement error are the main sources of satellite laser elevation accuracy. The conclusion may be useful for the future national satellite laser altimeter.
Key words
remote sensing, satellite laser altimetry, ZY-3 02, data processing, quality analysis, satellite side-scanning, night observation
1 引 言
卫星遥感具有不受国界限制、远距离、大范围宏观对地观测的特点，在获取境外地理信息方面具有独特的优势。目前，国家测绘地理信息行业正围绕“一带一路”倡议等重大战略需求，逐步开展全球高精度立体测图，并在《全国测绘地理信息事业“十三五”规划》明确提出“全球地理信息资源开发”是五大核心任务之一。然而，由于国产卫星星敏感器测量精度受限，而国外地区又无法入境实地获得高精度的地面控制点数据，因此如何确保在无地面控制条件下实现高精度立体测图成为一个难点问题(王任享 等，2017)。国内有关院士专家们提出在卫星上搭载激光测高仪提高光学立体影像无控制点测图精度的解决思路，并计划在高分七号、天绘三号等卫星上实现业务化应用，卫星激光测高技术正迎来蓬勃发展的大好时机(王任享，2014；唐新明 等，2016；唐新明和李国元，2017)。
2016年5月30日资源三号02星成功发射，该卫星上搭载了国内首台对地观测的试验性激光测高载荷，主要用于测试激光测高仪的功能和性能，探索地表高精度的高程控制点数据获取的可行性，以及采用该数据辅助提高光学卫星影像无控立体测图精度的可能性。后续高分七号卫星、陆地生态系统碳监测卫星等均装备国产的业务化激光测高仪载荷，相关硬件参数比资源三号02星激光测高仪有较大优化提升，且具备全波形采样和记录功能，主要用于全球高程控制点获取、森林参数反演及生物量估算、极地冰盖监测等(张新伟 等，2017)。在此之前，国内主要围绕美国ICESat(Ice, Cloud, and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球激光测高系统GLAS (Geo-science Laser Altimetry System)开展相关的研究(李建成 等，2008；邢艳秋 等，2013；李松 等，2014；王成 等，2015；李增元 等，2015；李国元 等，2017a)，且因GLAS原始数据受限等原因，国内的研究基本围绕数据应用而很少涉及高精度几何处理。资源三号02星发射后，国内有关学者围绕激光测高载荷的几何检校以及精度验证等开展了一定研究(唐新明等，2016；李国元，2017；张过 等，2017)，但对不同工作模式下的数据质量分析较少。高精度激光测高数据质量控制是后续应用的基础和前提，因此，针对国产卫星激光测高数据开展不同条件下的数据质量分析非常必要，对于后续国产激光测高卫星的发展也有重要的参考价值。
本文主要针对国产对地观测卫星激光测高数据，结合资源三号02星上搭载的试验性激光测高载荷开展数据质量分析，重点分析了数据的可用率、夜间观测效果、卫星侧摆条件下的数据质量、高程测量精度等，以期为后续业务化应用的国产卫星激光测高载荷提供一些参考和借鉴。
2 资源三号02星介绍
2.1 卫星相关参数
资源三号02星与资源三号01星相比做了部分适应性改进，其中前后视相机的分辨率从3.5 m提高到2.5 m，调整了原01星多光谱相机与正视全色相机的6°视轴交角，在02星上实现两者基本平行。搭载了试验性的激光测高仪，激光测高仪的指向与正视相机基本平行(图1，表1)。
表 1 资源三号02星卫星及影像基本参数表
Table 1 The parameters of ZY-3 02 satellite and stereo cameras
| 参数类型 | 参数值 | |
| 轨道高度 | 约505 km | |
| 轨道倾角 | 97.421° | |
| 轨道类型 | 太阳同步圆轨道 | |
| 重量 | 2700 kg | |
| 回归周期 | 59 d | |
| 重访周期 | 5 d | |
| 降交点时间 | 上午10:30 | |
| 空间分辨率 | 正视全色：2.1 m
前后视：2.5 m 多光谱：5.8 m |
|
| 光谱范围 | 全色 | 450—800 nm |
| 多光谱 | 蓝：450—520 nm
绿：520—590 nm 红：630—690 nm 近红外：770—890 nm |
|
| 幅宽 | 全色： | 50 km×50 km |
| 多光谱： | 52 km×52 km | |
2.2 资源三号02星激光测高试验性载荷
资源三号02星试验性激光测高仪由中国航天科技集团公司第五研究院第508所负责研制生产，主体由发射光学镜头、激光器腔体、激光器电源、主波探测组件、接收光学镜头、回波探测组件、信号预处理组件、二次电源组件、自检组件以及支架等组成。受搭载空间、能量供应等条件限制，资源三号02星激光测高仪的体积较小，功能也比较单一，除测距外，暂不具备回波波形记录功能，也未带足印相机(表2)。
02星试验性激光测高仪的基本参数包括：单波束，发射激光的中心波长为1064 nm，属于近红外激光，工作的重频率为2 Hz，发散角为0.1 mrad，脉冲宽度约6.5 ns，脉冲能量200 mJ，在坡度<2°地形条件下测距精度约1.0 m。对应到地面的激光足印点光斑直径设计值约75 m，实际验证结果约120 m，地面间隔约为3.5 km，受寿命限制，暂不具备获得全球范围的高程控制点的能力。此外，资源三号02星在重频率方面低于GLAS，与GLAS的硬件水平还有一定差距，但后续的国产高分七号、陆地生态系统碳监测卫星激光测高载荷在足印光斑大小、全波形采样等指标上有较大的提高。
表 2 资源三号02星激光试验载荷基本参数信息
Table 2 The basic parameters of the ZY-302 satellite experimental laser altimeter
| 参数名称 | 实验室标称值 |
| 激光脉冲宽度 | 7 ns |
| 重复频率 | 2 Hz |
| 功耗 | 45 W |
| 质量 | 40 kg |
| 激光器单脉冲能量 | 200 mJ |
| 有效口径 | 210 mm |
| 有效作用距离 | 480—520 km |
| 激光足印大小 | >75 m |
| 轨道高度 | 505.984 km |
| 中心波长 | 1064 nm |
| 瞬时发射视场 | 0.1 mrad |
| 瞬时接收视场 | 0.5 mrad |
| 探测器带宽 | 200 MHz |
| 探测概率 | ≥95%(平坦地区@500 km) |
| 虚警概率 | ≤5×10−4(平坦地区@500 km) |
| 测高通道数量 | 1 |
| 主波时刻鉴别误差 | 1.445 ns |
| 回波时刻鉴别误差 | 1.445 ns |
| 晶振误差 | 0.86 ns |
| 测距精度 | 1 m(3σ，坡度<2°) |
3 激光测高数据处理与分析
3.1 数据处理
李国元(2017)针对ICESat/GLAS以及资源三号02星激光测高几何定位模型进行了研究分析，提出了相应的严密几何模型，并对资源三号02星激光测高理论精度进行了分析(李国元和唐新明，2017)。对于资源三号02星而言，由于其不具备全波形采样和记录功能，因此其数据处理流程可简化为(图2)：数据解码分类、几何初定位(Shutz和Urban，2014)、大气改正、潮汐改正、几何精定位(李国元，2017)、高程精度评价。
(1)数据解码分类：实现了将以轨道为单位推送的原始数据进行解码，并进行了GPS测量数据、姿态测量数据、激光测量数据的分类；
(2)通过激光的发射时间和渡越时间，计算激光的测距信息、发射时的位置和姿态信息；采用激光几何定位模型，获得激光足印点的初始坐标信息；
(3)根据激光足印粗定位结果及时间信息进行大气延迟改正和潮汐改正；
(4)对激光足印点进行精确3维坐标解算；
(5)对高程精度及空间分布进行统计分析；
其中，在进行激光足印点精确3维坐标解算时，需要用到精确轨道、姿态参数以及检校参数，检校参数包括激光测高载荷的安装误差角以及系统性的测距偏差值。大气改正用到了NCEP(National Center for Environmental Prediction)大气参数和大气改正模型(李松 等，2014)，潮汐改正利用国际地球自转系统IERS(International Earth Rotation and Reference Systems Service)协议提供的潮汐模型参数(Fricker 等，2012)。
3.2 质量分析
截至2017年9月，资源三号02星试验性激光测高载荷获得的总点数为44225个，有效点为12812个，平均有效率28.97%。
为评价资源三号02星激光测高数据在不同工作条件下的高程精度，选择了多轨开阔海面、湖面的激光足印点进行精度验证(图3)，同时针对夜间试验拍摄的一轨激光数据进行了分析。
根据大地高和大地水准面差距计算相应的大地水准面高程, 其中第1035轨在渤海海面的激光测高数据剖面如图4所示。在海面上的激光足印点高程均值为−0.224 m，标准偏差为0.468 m，最大与最小高程相差1.316 m。按常识，海面的正高(大地水准面高)应该为0或接近于0，而该区域的激光足印点而均值为−0.224 m与0 m非常接近，且标准偏差为0.468 m，说明绝对精度和内部相对精度都比较高，最大与最小高差在1.316 m可能是海浪的影响，总体与02星标称的1.0 m精度水平基本相当。
在资源三号02星激光测高载荷测试期间，在卫星的第984轨夜间升轨时开机获得了激光测高数据，将该夜间观测的数据与其他白天观测的数据进行了对比分析，结果见表3。
表 3 白天与夜间激光测高仪工作情况对比表
Table 3 The comparison between the laser altimeter worked on the day and night
| 轨道号 | 日期 | 总点数 | 无效
观测点 |
有效
观测点 |
可用点 | 所占
比例/% |
备注 |
| 929 | 7-30 | 706 | 48 | 658 | 256 | 38.91 | 白天 |
| 930 | 7-30 | 825 | 145 | 680 | 197 | 28.97 | 白天 |
| 944 | 7-31 | 862 | 47 | 815 | 320 | 39.26 | 白天 |
| 945 | 7-31 | 762 | 77 | 685 | 174 | 25.40 | 白天 |
| 959 | 8-01 | 619 | 31 | 588 | 174 | 29.59 | 白天 |
| 984 | 8-02 | 813 | 335 | 478 | 289 | 60.46 | 夜间升轨 |
| 990 | 8-03 | 709 | 36 | 673 | 291 | 43.24 | 白天 |
| 991 | 8-03 | 906 | 71 | 835 | 326 | 39.04 | 白天 |
| 1004 | 8-04 | 458 | 68 | 390 | 66 | 16.92 | 白天 |
| 1005 | 8-04 | 825 | 50 | 775 | 304 | 39.23 | 白天 |
| 1006 | 8-04 | 885 | 127 | 758 | 354 | 46.70 | 白天 |
从表3可以看出，虽然夜间观测时硬件记录的无效值偏多(813个点中有335个记录无效)，但在有效观测点中可用点占比最高，约为60.46%。在白天即使有效观测记录的比例高，如第1004轨，无效记录值仅有68个，占比不到15%，即有效记录超85%，但实际可用的数据率仅有16.92%，说明白天背景噪声也被记录下来，激光探测的虚警率较高。而夜间激光探测的虚警率较低，夜间观测时只要是能被硬件记录到的激光测高数据，其中大部分都是可用的，这与激光在白天受太阳背景噪声影响更大的结论是一致的(韩光宇 等，2012)，需要更窄的带通滤波片和更优的噪声滤除方法。
资源三号02星在轨测试期间，还开展了卫星侧摆条件下的激光测高载荷工作性能测试，卫星分别在第913、929、939、990、1005、1006、1021、1035以及1036共9轨进行了不同角度的侧摆，侧摆的最大角为4.91°，最小角为1.54°。对这9轨激光测高数据的有效点比例以及与参考地形AW3D30(ALOS World 3D 30 m)的高差进行了统计(表4)。
表 4 侧摆情况下激光足印点质量统计表
Table 4 The statistical result of laser footprint points during the satellite side swinging
| 轨道号 | 侧摆
角度 |
总点数 | 记录
无效点 |
ΔH<5 m | ΔH<2 m | 小于5 m
的比例/% |
| 913 | −3.01° | 710 | 71 | 20 | 10 | 2.82 |
| 929 | −4.91° | 706 | 48 | 256 | 150 | 36.26 |
| 939 | 3.21° | 825 | 145 | 197 | 101 | 23.88 |
| 990 | −1.54° | 709 | 36 | 291 | 160 | 41.04 |
| 1005 | −2.01° | 825 | 50 | 304 | 135 | 36.85 |
| 1006 | 3.01° | 885 | 127 | 354 | 133 | 40 |
| 1021 | 4.91° | 819 | 104 | 247 | 128 | 30.16 |
| 1035 | 1.54° | 970 | 89 | 141 | 53 | 14.54 |
| 1036 | −3.21° | 527 | 76 | 165 | 88 | 31.31 |
虽然有两轨数据出现了有效点较少的情况，但总体来说没有出现因侧摆而导致激光测高数据完全无效的结果，说明在卫星平台在小角度(5°以内)侧摆时卫星激光测高载荷仍能有效工作。但在卫星侧摆情况下，激光测高精度会有所下降(图5)。
因卫星侧摆和地形起伏引起的高程误差近似为：
| $ {\rm{d}}h = H{\rm{d}}\theta \tan \left({S + \theta } \right) $ | (1) |
当地形坡度S=1°，θ=3°，卫星在500 km轨道高度时，1″指向误差引起平面偏差约2.5 m，测高误差约0.18 m。且在同样的指向测量误差下，侧摆角越大最终误差越大，因此除尽量减小指向误差外，还应减小卫星侧摆角。而国产卫星因星敏感器本身测量精度的限制，姿态或激光指向测量误差比较大，基本在几个角秒，除影响平面精度外，对激光高程误差的影响也较明显。虽然目前卫星小角度侧摆时仍然能获得一定有效的激光点，但综合考虑，建议国产卫星激光测高载荷应控制在侧摆角小于3°时进行工作。
3.3 绝对精度评价
为评价激光足印点绝对高程精度，选择了第1081轨的检校区附近平坦地形，采用根据检校后计算的激光足印点的平面经纬度坐标，在野外用高精度的RTK-GPS测量方式，获得精度优于5 cm的控制点，将计算出的激光足印点高程与野外实测点的结果进行对比。检校前该区域的8个激光足印点高程中误差为90.561 m，检校后高程中误差为0.898 m，均值为0.645 m，标准偏差为0.465 m，其中有5个点的高程精度优于0.5 m。采用与检校区时间和空间均有一定间隔的华北某地高精度的1∶2000基础地理信息成果图DSM数据进行验证，其绝对高程精度为1.096 m，少部分点优于0.5 m(李国元 等，2017b)。
此外，收集了江苏省高精度机载LiDAR数据作为参考，其高程精度优于0.15 m，2016年和2017年两年资源三号02星在江苏地区共获得158个激光点，按与AW3D30高差为5 m的阈值进行筛选后有效点分别有21和32个，如图6所示。阈值为2 m时筛选后保留的分别为10和18个，统计资源三号02星激光点高程与机载LiDAR数据的绝对高程差值(表5)。与AW3D30高差阈值为2 m时，2016年和2017年的资源三号02星激光高程中误差分别为0.656 m和0.778 m，与前述的精度验证结果基本一致。也进一步证实采用与AW3D30的高差设定阈值后，可以有效保留精度较高的资源三号02星激光点作为高程控制点使用。
表 5 江苏地区ZY-3 02星激光足印点高程误差统计表
Table 5 The elevation error statistical result of ZY-3 02 laser footprint in JiangSu Province
| 年份 | 总点数 | 筛选
阈值/m |
保留
点数 |
中误差/
m |
最大误差/
m |
最小误差/
m |
| 2016 | 62 | 2 | 10 | 0.656 | 1.952 | 0.120 |
| 5 | 21 | 1.749 | 3.937 | 0.120 | ||
| 2017 | 96 | 2 | 18 | 0.778 | 1.358 | 0.019 |
| 5 | 32 | 2.851 | 4.134 | 0.019 |
4 结 论
文章对目前资源三号02星试验性激光测高载荷在不同工作条件下的数据进行了分析，重点对数据的有效率、在海面或大型水面、卫星侧摆、夜间升轨等模式下的激光数据质量进行了分析，并选取江苏地区对绝对高程精度进行了进一步验证。试验结果表明：
(1)作为中国对地观测的首台卫星激光测高载荷，资源三号02星能获得部分有效的激光测高数据，总体有效点约占30%，实现了中国对地观测卫星激光测高的初步突破。
(2)国产对地观测卫星激光测高仪在开阔水面、卫星侧摆、夜间条件下均能正常工作，获得一定数量的有效激光足印点；在夜间激光受背景噪声影响小、虚警率低；建议卫星侧摆角在3°以内时激光测高仪进行工作，以兼顾数据精度、覆盖范围和有效利用率等。
(3)国产对地观测卫星激光测高仪在平坦地区的数据可利用率和质量相对较好，经验证平地区域的02星激光足印点绝对高程精度优于1.0 m，少部分点高程验证精度优于0.5 m。
从国标中对1∶50000立体测图高程控制点精度要求来看(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2008)，经筛选保留后的02星激光测高数据精度能满足1∶50000的高程控制需求，虽然为试验性载荷，但仍具有一定的生产应用价值。国产高分七号、陆地生态系统碳监测卫星上均装备激光测高仪，相应的指标比资源三号02星有较大进步，相信到时国产卫星激光测高数据一定能走向真正的业务化应用。希望本文的有关结论能为后续国产卫星激光测高指标论证与数据处理提供一定参考。
志 谢 实验数据获取得到了资源三号02星激光测高仪试验各参研单位的帮助，在此表示衷心的感谢！
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