激光雷达测绘卫星发展及应用

激光雷达测绘卫星发展及应用

郭玉鑫

广州 南方测绘科技股份有限公司哈尔滨分公司 黑龙江省哈尔滨市 150036 摘要： 激光测图卫星以其全天时、高精度、高效率的显著优势，成为 对 地三维观测的重要新手段。它对全球高精度控制数据获取、特殊区域精确地理空间信息采集、大范围全球 性 科学研究等具有重要意义。

关键词：激光测绘卫星；应用；展望

激光雷达测绘卫星通过星载激光器以一定频率向地面发射激光脉冲，光束穿过大气后，被目标散射，产生微弱的后向散射回波。回波由激光测高仪上的望远镜接收，通过光电信号转换和时间测量，计算出激光器与探测目标间距离值，再结合卫星姿态、平台位置、激光指向等信息，得到激光足印点的精确三维空间坐标。其具有主动获取全球地表高程能力，可为快速获取包括境外地区在内的高程控制点和立体测图提供服务，并在极地冰盖、植被高度等方面发挥着重要作用。

一、激光雷达卫星ICESat-2

1、配置特点。ICESat-2和ICESat最显著变化是使用光子计数激光雷达取代传统线性探测系统，后者需返回成千上万个光子，通过全波形采样及波形分析获得点云坐标，ICESat-2光电倍增管接收器探测灵敏度处于单光子级别，可标记每个光子返回接收器的时间，计算坐标，提高了探测效率。

由于卫星主要科学目标是测量冰冻圈变化，需尽可能在相同/相近位置多次测量。ICESa-2设置1387个地面参考轨迹，RGT固定不变，为获得参考轨迹线的高程值，强弱光束必须位于RGT的左右两侧。因此，要求激光指向控制精度优于45m。由于采用光子计数探测系统，发射激光能量降低，强波束为120μJ(弱波束为四分之一)，激光重频增加，高达10kHz，沿轨点间距仅0.7m，与ICESat相比，数据密度大幅提高。

2、数据处理

1)点云去噪。光子计数激光雷达探测灵敏度高，噪声多，数据信噪比低。虽然ICESat-2接收器配备了窄带滤波片，波段范围限于(532.272±0.15)nm，但该范围内仍有大量背景太阳光。在一些高太阳角及高地面反射率场景中，背景光噪声率达到约10MHz，因此点云去噪较重要。

当前，大多现有的光子计数激光雷达设备只记录沿飞行方向的数据，因此通常在二维剖面上处理。ICESat-2基础理论算法文件ATL03和ATL08分别提供了直方图及空间密度去噪算法：直方图法认为，垂直方向上点出现最多位置更可能是信号；空间密度法认为信号点在空间分布上更密集，密度直方图将显示“左噪右信”、“高窄噪低信号”的分布特征。ATL03算法在平原冰盖地区效果好，在植被地区会有明显的信号点漏提，ATL08更适合植被地形区域。另外，针对搜索核形状、地形相关和方向适应性等问题进行有针对性的设计，能进一步提高算法性能，获得优于98%的去噪精度。

2)激光标定。大多ICESat-2指标以高度变化表示，要求在整个任务期间每年监测0.2cm高度偏差变化，激光载荷精确在轨标定对实现上述指标非常重要。对轨道高度为500km的ICESat-2，1″指向角误差会导致约2.4m平面误差，若地面坡度为2°，则会产生8.3cm高程误差。

激光测高仪在轨标定类似于传统光学卫星及机载激光雷达，主要基于地面标定场法及自然地形法。地面标定场通过激光接收器直接测量足印点，精度高，但需预估足印点位置并选择合适地点建设标定场。自然地形法通过预先精确测量局部地形和卫星激光数据进行剖面配准，实现激光定标参数解算。有研究表明，当使用1km长度激光测线匹配高精度地形时，角度标定精度优于0.3″，测线长度增加到2.5km时，角度标定精度优于0.1″。另外，ICESat-2还采用了与ICESat类似的策略，在海域进行姿态机动，通过锥形扫描分别标定姿态及距离，校定后测距值长期漂移小于1mm/a。

3)精度检核。上一代激光测高卫星ICESat标称定位精度平面约10m，高程约15cm。ICESat-2作为后续星，平面定位精度标称6.5m(后处理)，高程方向应满足高程变化监测精度。ICESat-2点云精度的验证评估对测绘应用具有重要意义，主要方法有基于轨迹交叉点数学分析法、与地面测点比较法、与机载数据比较法等。交叉点分析法利用多轨交叉点高程变化评估数据相对精度，通常选择极区冰盖平坦区域。地面实测点法仅用于评估高程精度，角反射器及机载数据可用于评估水平精度。在机载数据检核中，通常使用高精度的光学立体或激光雷达作为真值，使ICESat-2剖面点云在水平方向上以一定步长移动，计算剖面点云与机载点云高程差绝对值，最小高程差表示两者配准。

二、ICESat-2卫星测绘应用

1、影像联合平差。尽管ICESat-2沿轨点密度大，但由于波束数量的限制，波束垂轨间距达3.3km，因此很难直接获得高分辨率地面DSM。利用激光测高数据作为高程控制点与光学影像进行联合平差，能有效提高影像无地面控制高程精度，具有重要的应用价值。激光与图像联合平差已成功应用于嫦娥一号、火星激光测高MOLA等工程。ICESat及ZY3-02激光数据也用于提高影像精度，加入激光测高数据约束后，ZY-3立体影像的无控高程精度显著提高到3m以上。

激光辅助光学影像平差先要从激光点云中提取控制点，考虑到ICESat-2沿轨具有较高点密度，可分别对剖面点云及光学影像进行角点检测，将距离小于阈值的激光角点及光学影像角点视为同名点对，然后将激光脚点的三维坐标引入平差方程作为控制，达到提高影像定位精度的目的。

2、多源地形融合。获取高精度、高分辨率和全球覆盖的数字高程模型(DEM)是航天遥感追求的目标。现有开源DEM包括SRTM、GDEM等，GDEM是Terra卫星光学传感器ASTER获取的高程模型，分辨率30m，覆盖全球约99%陆地表面。SRTM是一种航天飞机雷达地形测绘产品，最新发布的是30m分辨率SRTM-1。GDEM及SRTM-1标称高程精度为17m、16m。相比之下，由于光学成像的限制，GDEM存在噪声及数据异常，SRTM精度稳定，但在山区大坡度位置存在数据空缺。

ICESat-2高程精度远高于这两种公开DEM，而且沿轨方向点密度高，ICESAT-2点云可作为纠正DEM高程偏差和填充DEM空白区域的控制点。具体处理时注意坐标系统与高程基准的统一，ICESat-2 ATL03点云坐标系为WGS84，高程值为椭球高，文件提供EGM08下的异常高程值，可读取并将其转换为正高。利用ICESat-2对DEM进行评估纠正，采用人工神经网络算法建立激光点与开源DEM数值映射关系，并进行纠正。通过栅格化、插值和三角网曲面填充等步骤来填补空缺。

3、全球植被测量。激光雷达可有效测量植被高度，这对反演地上生物量、了解全球碳循环和生态系统变化具有重要意义。GDEI、ICESat、ICESat-2等激光雷达具有全球植被高度测量能力，但GDEI只能采集南北纬52°范围内数据，ICESat和ICESat-2工作范围更广，可直接测量北方森林高度及分布。

ICESat-2在提取冠层高度方面存在以下问题：①热带地区植被茂盛，冠层将遮挡大部分激光能量，使光子无法到达地面；②北部植被稀矮，冠层及地面区分度减少。在处理时，尽可能选择夜间强光束数据，这不仅降低了太阳光背景噪声，而且大幅降低了植被区气溶胶引起的条带状噪声。剖面点云去噪处理后，通过中值滤波和循环数次得到冠层顶点、冠层点、地面点，从而计算植被高度。ATL08文件中提供的植被高度参数为h_canopy_abs，定义为参考椭圆上方冠层高度的98%位置。从评估结果来看，植被高度测量误差为3.69m。但总的来说，仍存在高植被低估计和低植被高估计问题。需指出的是，由于工作高度原因，ICESat-2无法获得像机载激光雷达那样的精细森林参数。在计算植被覆盖度、地上生物量等参数时，激光与影像联合处理更为准确有效。

三、展望

1、突出地表精确控制测量数据获取能力，充分利用激光卫星观测数据高程精度高的优势，快速建立全球高程控制数据库，有效提高我国测绘卫星成图精度扩多源地理信息融合处理水平。

2、突出特殊区数字表面模型获取能力，对极地等困难区域，充分发挥星载激光雷达对地观测优势，快速获取极地区基础地理信息，填补我国相关领域对地观测能力的空白。

3、加强多元对地观测数据的融合处理能力。激光观测数据具有精度高的特点，但其分辨率明显低于被动光学和微波观测数据。同时缺乏丰富的光谱特征信息，智能融合处理技术的发展将是实现更高对地观测精度、更高信息表达精度、更丰富特征信息水平的必然方向。

参考文献：

[1]李松.星载激光测高仪的最新进展系统[J].光学与光电技术，2015(06).

[2]方勇.激光雷达测绘卫星发展及应用[J].红外与激光工程，2020(11).