陸海激光衛(wèi)星高程測(cè)量的思考

唐新明，李國(guó)元,2,3

(1.自然資源部 國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048； 2.中國(guó)科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083；3.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

激光雷達(dá)是一種集激光、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)于一體的主動(dòng)式觀測(cè)系統(tǒng)，用于快速獲取地面及地面目標(biāo)的三維信息，與成像光譜、合成孔徑雷達(dá)一起被列為獲取對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)信息的核心技術(shù)[1-3]。隨著科技發(fā)展，激光雷達(dá)得到了快速發(fā)展。新型激光雷達(dá)具有微脈沖、高重復(fù)頻率、多波束、小光斑、高效率、輕量化等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為主動(dòng)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星激光測(cè)高的發(fā)展趨勢(shì)。美國(guó)于2018年9月成功發(fā)射了名為ICESat-2的多波束單光子激光測(cè)高衛(wèi)星，并于2018年12月成功發(fā)射了全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查(GEDI)激光測(cè)高載荷，搭載了多波束天基激光測(cè)高系統(tǒng)[4]。目前千波束的高精度表面地形激光測(cè)量(LIST)衛(wèi)星仍在論證階段，主要用于獲取全球5 m網(wǎng)格大小和10 cm高程精度的地形信息，以及森林植被、湖泊水系、極地冰蓋等的高程變化量等，預(yù)計(jì)在2020年之后發(fā)射[1,5]。

多波束新型激光測(cè)高衛(wèi)星在全球測(cè)圖、海洋測(cè)繪、極地測(cè)繪等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是測(cè)繪行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要技術(shù)支撐，還能在全球森林生物量估算、農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)等方面提供更直接的解決方案，為有效應(yīng)對(duì)氣候變化提供重要保障。多波束新型激光測(cè)高衛(wèi)星是下一代激光測(cè)量衛(wèi)星，在我國(guó)《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2015—2025年)》中明確提出要發(fā)展多波束激光測(cè)量技術(shù)，在《衛(wèi)星測(cè)繪“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提出要發(fā)展單光子激光測(cè)高衛(wèi)星，并開展衛(wèi)星指標(biāo)論證。隨著我國(guó)“一帶一路”建設(shè)的不斷深入，高精度、快速、高效獲取和監(jiān)測(cè)地理信息資源顯得越來越重要。在山水林田湖草的全要素管理和監(jiān)測(cè)方面，國(guó)產(chǎn)遙感衛(wèi)星面臨更大的挑戰(zhàn)和更高的要求：監(jiān)測(cè)要素要從國(guó)土資源拓展到自然資源，從平面監(jiān)測(cè)拓展到立體監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)范圍要從內(nèi)陸拓展到近海甚至大洋，從陸地拓展到極地；監(jiān)測(cè)精度要從1∶50 000拓展到1∶5 000甚至到1∶2 000；特別是測(cè)高精度要從米級(jí)拓展到厘米級(jí)。由于激光測(cè)高在高精度高程測(cè)量方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，發(fā)展能滿足陸地、沿海灘涂、潮間帶、淺海、海島礁等高程綜合測(cè)量需求的新一代陸海激光衛(wèi)星高程測(cè)量技術(shù)是適應(yīng)新形勢(shì)、滿足新需求的必然選擇。

1 應(yīng)用需求分析

1.1 1∶2 000/1∶5 000高精度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取

地理信息是國(guó)家重要的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性信息資源，全球地理信息資源開發(fā)已列入國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要和《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》。衛(wèi)星遙感具有不受國(guó)界限制、遠(yuǎn)距離、大范圍對(duì)地觀測(cè)的特點(diǎn)，在獲取全球地理信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。1∶5 000及1∶2 000比例尺的高程控制點(diǎn)獲取是境內(nèi)外測(cè)繪均需解決的技術(shù)難點(diǎn)。利用激光測(cè)量衛(wèi)星獲取全球高程控制點(diǎn)，是現(xiàn)有精度最高的技術(shù)手段。陸海激光高程測(cè)量衛(wèi)星將重點(diǎn)針對(duì)國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城鎮(zhèn)地區(qū)(面積約100萬(wàn)km2)、“一帶一路”沿線地區(qū)(面積約為200萬(wàn)km2)獲取高精度地面控制點(diǎn)，從而滿足航天遙感立體測(cè)圖的應(yīng)用需求。

1.2 陸地生態(tài)系統(tǒng)森林生物量估算

2015年，我國(guó)在《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》中提出要推進(jìn)對(duì)森林、草原等的統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)核算能力的建設(shè)，并要求用衛(wèi)星遙感等技術(shù)手段，對(duì)自然資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)狀況開展全天候監(jiān)測(cè)，健全覆蓋所有資源環(huán)境要素的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系。從全球范圍來看，氣候變化作為生態(tài)、環(huán)境和發(fā)展領(lǐng)域的重大全球性問題，受到各國(guó)高度重視和社會(huì)普遍關(guān)注。近年來，隨著應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)際進(jìn)程的持續(xù)深入推進(jìn)，森林因其具有巨大的CO2吸收、存儲(chǔ)和替代功能成為減緩全球氣候變化成本最低、綜合效益最高的重要途徑。森林間接減排已納入國(guó)際規(guī)則，在《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》和《京都議定書》中都明確指出要通過增加森林碳匯和減少毀林排放來減緩氣候變化，利用森林碳匯來抵排已成為發(fā)達(dá)國(guó)家的通行做法。林業(yè)碳匯是我國(guó)林業(yè)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家戰(zhàn)略的基礎(chǔ)支撐。森林碳匯抵排戰(zhàn)略要求建設(shè)內(nèi)涵全面、數(shù)據(jù)權(quán)威、模型可靠、參數(shù)合理、反應(yīng)快速的森林碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)體系，以測(cè)準(zhǔn)算清森林碳匯，科學(xué)闡明中國(guó)生態(tài)建設(shè)和保護(hù)對(duì)氣候變化的作用和貢獻(xiàn)。

衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)能有效獲取森林的垂直結(jié)構(gòu)分布信息，特別是實(shí)現(xiàn)大范圍的森林樹高測(cè)量、生物量估算。ICESat衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)在全球范圍的森林樹高和碳匯估算方面產(chǎn)生了較好的科學(xué)示范應(yīng)用效應(yīng)，為我國(guó)發(fā)展自主可控的激光測(cè)高衛(wèi)星提供了參考和借鑒價(jià)值，但也存在激光波束數(shù)不夠多、地面足印點(diǎn)密度不夠大等問題。

1.3 淺海及海島礁地形測(cè)繪

我國(guó)是海洋大國(guó)，擁有漫長(zhǎng)的海岸線，總長(zhǎng)度達(dá)1.8萬(wàn)km。沿海灘涂面積廣闊，我國(guó)灘涂地區(qū)總面積超過200萬(wàn)hm2，其中海岸灘涂是灘涂資源的主體，分布范圍最廣，面積最大，占全國(guó)灘涂地區(qū)總面積的80.6%。灘涂地區(qū)面積大、地質(zhì)條件特殊，易受潮汐影響，難以布設(shè)地面控制點(diǎn)。傳統(tǒng)的地面測(cè)量及航測(cè)方式效率低、成本高。主動(dòng)式高精度激光雷達(dá)可用于灘涂等困難地區(qū)的地形圖測(cè)繪。激光雷達(dá)具有高垂直距離分辨率，是唯一可同時(shí)獲取海洋和大氣數(shù)據(jù)的有效手段，在近溫躍層具有垂直穿透能力，可獲取海洋光學(xué)參數(shù)剖面信息。激光雷達(dá)可晝夜、長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)觀測(cè)，基本不受太陽(yáng)輻射影響，能在海洋表層/次表層剖面測(cè)量方面提供大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為海洋科學(xué)發(fā)展提供重要支撐。

激光測(cè)深被認(rèn)為是海洋測(cè)繪領(lǐng)域極具潛力的對(duì)地觀測(cè)新技術(shù)。該技術(shù)與其他測(cè)量手段相比，在淺海、島礁、暗礁和船只無法安全到達(dá)的水域，具有安全、快速、高精度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)外商業(yè)機(jī)載激光測(cè)深雷達(dá)在清潔水體條件下最大能探測(cè)到50 m的深度，精度優(yōu)于亞米級(jí)。在星載激光方面，ICESat-2單光子激光測(cè)高衛(wèi)星初步證明了星載激光能獲得10 m之內(nèi)的水下地形信息，但衛(wèi)星激光測(cè)深還存在波束數(shù)還不夠多、測(cè)量深度不夠且易受水質(zhì)影響、數(shù)據(jù)處理理論不夠完善、測(cè)深精度有待深入驗(yàn)證等問題，需進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

1.4 “三極”區(qū)域高程變化監(jiān)測(cè)

開展青藏高原冰川、南極冰蓋、北極海冰等“三極”區(qū)域的高程變化監(jiān)測(cè)，能在應(yīng)對(duì)全球氣候變化及科學(xué)研究中，提供中國(guó)數(shù)據(jù)，貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。青藏高原地區(qū)有中國(guó)最大、世界海拔最高的高原冰川，被譽(yù)為“中華水塔”，孕育了中國(guó)的母親河——黃河和長(zhǎng)江，因此在青藏高原區(qū)域開展冰川變化監(jiān)測(cè)具有重要的生態(tài)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。南極蘊(yùn)藏豐富資源，具有重大的科學(xué)考察意義，而北極新航線則具有戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)及政治價(jià)值。南極大陸擁有世界最大的冰蓋，其冰蓋變化關(guān)系到海平面變化這一重大問題。隨著全球氣候變暖、海平面上升等問題日益突出，世界多國(guó)對(duì)極地開展了冰蓋監(jiān)測(cè)的科學(xué)研究。北極是一片浩瀚的冰封海洋，但隨著全球氣候變暖和海冰消融變薄，北極航道逐漸開始“蘇醒”。以前的環(huán)球海上航行中，只能通過巴拿馬運(yùn)河或蘇伊士運(yùn)河來連接太平洋和大西洋，甚至需繞道非洲南部的好望角，與這些航線相比，北極航道一旦開通將極大地縮短航程，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，不僅會(huì)直接改變?cè)械氖澜绾Ｑ筮\(yùn)輸格局，而且會(huì)使北極地區(qū)的戰(zhàn)略地位整體提升。

利用衛(wèi)星激光測(cè)高手段長(zhǎng)期觀測(cè)并獲取冰的厚度、位置、時(shí)變信息，研究變化規(guī)律并預(yù)測(cè)趨勢(shì)，為我國(guó)應(yīng)對(duì)全球氣候變化、建設(shè)“冰上絲綢之路”等提供重要的基礎(chǔ)信息支撐，有利于掌握外交主動(dòng)權(quán)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展權(quán)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高精度激光指向測(cè)量技術(shù)

激光指向的高精度測(cè)量是衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。ICESat衛(wèi)星的GLAS(geoscience laser altimeter system)在衛(wèi)星姿態(tài)及激光指向精確測(cè)量方面進(jìn)行了大量研究，通過激光指向與星敏感器有效耦合的創(chuàng)新測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了GLAS激光束1.5″精度的絕對(duì)指向測(cè)量結(jié)果。具體而言，采用激光與衛(wèi)星的星敏關(guān)聯(lián)模式，實(shí)現(xiàn)了激光指向的絕對(duì)角度測(cè)量[6]；采用LPA(laser profile array)光軸變化實(shí)時(shí)監(jiān)視的方式，實(shí)現(xiàn)了激光指向變化量的精確測(cè)量[7]，如圖1，2所示。美國(guó)ICESat-2衛(wèi)星上也采用了激光精確指向確定(PPD)技術(shù)，預(yù)期能實(shí)現(xiàn)0.64″的指向測(cè)量精度[8]。對(duì)于陸海激光高程測(cè)量衛(wèi)星，高精度測(cè)量激光指向是難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，要有針對(duì)性地對(duì)多波束激光指向測(cè)量及穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)問題進(jìn)行技術(shù)研究，確保幾何定位精度。

圖1 不同時(shí)間段的LPA激光光斑能量空間分布示意Fig.1 Spatial distribution of LPA laser spot energy during different time periods

圖2 長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)LPA光斑質(zhì)心位置變化監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Change monitoring result of LPAcentroid position within long period

2.2 距離門寬度動(dòng)態(tài)適應(yīng)調(diào)整技術(shù)

陸海激光雷達(dá)的距離門寬度與探測(cè)概率、探測(cè)精度、數(shù)據(jù)量大小密切相關(guān)，合理有效地控制距離門寬度，特別是實(shí)現(xiàn)根據(jù)地形起伏、地物類別等自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整距離門寬度對(duì)于提高探測(cè)概率和測(cè)量精度，有效減少數(shù)據(jù)量和存儲(chǔ)傳輸壓力均具有重要意義。ICESat-2衛(wèi)星根據(jù)同一地區(qū)的數(shù)字地形圖(DRM)、數(shù)字高程模型(DEM)、地表參考標(biāo)記(SRM)確定需要測(cè)量目標(biāo)的實(shí)際情況，進(jìn)而調(diào)整距離門寬度，獲取更精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果[9]。新型激光雷達(dá)需要通過構(gòu)建多種分辨率組合的地形地物參考庫(kù)，綜合利用全球DEM和地表覆蓋數(shù)據(jù)，研究基于先驗(yàn)地形的激光測(cè)高衛(wèi)星快速定位及距離門寬度動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)[10]。

2.3 多波束激光在軌幾何定標(biāo)技術(shù)

高精度的在軌幾何定標(biāo)是衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)能有效應(yīng)用的前提，通過地面布設(shè)大面積的探測(cè)器主動(dòng)捕捉衛(wèi)星發(fā)射到地面的微弱激光信號(hào)，能有效且高精度地實(shí)現(xiàn)激光衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)[11-12]，但當(dāng)激光波束數(shù)大于2時(shí)，該方案的工程難度、經(jīng)濟(jì)代價(jià)將非常大，迫切需要對(duì)在軌幾何定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展。多波束激光測(cè)高載荷一般綜合采用多臺(tái)激光器和光學(xué)衍射元件(DOE)分光模式，實(shí)現(xiàn)幾十甚至千百波束激光的同步密集測(cè)量，波束間具有一定的幾何耦合關(guān)系。建議深入研究精細(xì)化地形特征匹配算法用于多波束激光在軌幾何定標(biāo)的可行性[13]，研究新型可用于大范圍、低成本、多波束、在軌幾何定標(biāo)方法，研究波束間幾何耦合關(guān)系與穩(wěn)定性分析。

2.4 高背景噪聲有效剔除技術(shù)

光子探測(cè)模式的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是高背景噪聲，特別是在受大氣、霧霾、復(fù)雜地形影響下，噪聲更突出，信噪比更低，有效信號(hào)甚至可能被淹沒在噪聲中[10,14]。除采用上述的距離門寬度動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)外，還需研究噪聲自動(dòng)濾除方法，結(jié)合分段局部高度直方圖和方向自適應(yīng)的橢圓濾波核，實(shí)現(xiàn)噪聲剔除和有效光子信號(hào)提取。針對(duì)原始的光子云數(shù)據(jù)，利用局部區(qū)域的地形坡度設(shè)定閾值，并動(dòng)態(tài)調(diào)整該閾值，可實(shí)現(xiàn)光子云數(shù)據(jù)的粗去噪，如圖3所示。考慮到地形參考數(shù)據(jù)本身的精度(如SRTM，AW3D30的高程精度為5.0 m)，并考慮到可能存在森林植被，初始高差閾值建議設(shè)定為25.0 m。

圖3 基于先驗(yàn)地形的光子點(diǎn)云數(shù)據(jù)粗去噪示意圖Fig.3 Illustration of coarse denoising of photon point cloud data based on priori terrain

結(jié)合MABEL數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)粗去噪的光子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)的橢圓聚簇濾波算法提取信號(hào)光子。不同形狀及方向的聚簇算法如圖4所示。

圖4 不同形狀及方向的聚簇算法示意圖Fig.4 Illustration of clustering algorithms with different shapes and directions

2.5 復(fù)雜環(huán)境下地形信息高精度提取技術(shù)

在高重復(fù)頻率條件下，衛(wèi)星激光能多次觀測(cè)同一區(qū)域。借鑒測(cè)量平差的思想，綜合多次觀測(cè)的結(jié)果，從粗差剔除以及冗余觀測(cè)的角度，優(yōu)化最終測(cè)量的精度。在海灘涂區(qū)域，多波束的單光子激光能穿透一定深度的水體，為測(cè)量淺海地形提供支撐，可以采用MABEL數(shù)據(jù)中的海岸帶飛行數(shù)據(jù)，開展淺海地形測(cè)繪的預(yù)研試驗(yàn)。基于前述濾波，針對(duì)淺海地形測(cè)量的研究，對(duì)水體和陸地點(diǎn)云進(jìn)行分類，然后對(duì)位于水體的點(diǎn)云進(jìn)行水面和水底分層，考慮水體對(duì)激光的折射影響，最終獲得水體深度和海底地形。

3 結(jié)束語(yǔ)

新型衛(wèi)星激光雷達(dá)可考慮增加高精度小光斑激光探測(cè)，加大光斑陸地激光探測(cè)范圍，增加用于林業(yè)生物量估算和地形探測(cè)的激光波束數(shù)量，擴(kuò)大海洋科研激光探測(cè)范圍。建議利用衛(wèi)星敏捷機(jī)動(dòng)技術(shù)，開展多波束激光測(cè)深衛(wèi)星的預(yù)研和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)海岸帶和重要島礁的星載激光快速觀測(cè)與地形測(cè)繪，摸清沿海和重要島礁區(qū)域的自然資源信息，為更好認(rèn)識(shí)海洋、利用海洋、善待海洋，特別是為建設(shè)我國(guó)“海洋強(qiáng)國(guó)”和“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”保駕護(hù)航。

在衛(wèi)星應(yīng)用方面，要解決制約多波束激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用的難點(diǎn)問題，建議在距離門寬度動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整、多波束激光在軌幾何定標(biāo)、高背景噪聲有效濾除、地形信息高精度提取等方面開展針對(duì)性研究，有效提高在激光領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。通過研制陸海衛(wèi)星激光雷達(dá)，滿足陸地高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)提取、森林樹高及生物量估算、淺海及灘涂地形測(cè)繪、海洋淺/次表層剖面測(cè)量、“三極”冰蓋及海冰厚度監(jiān)測(cè)等具體應(yīng)用需求，通過采用多波束激光陸海分時(shí)工作和敏捷機(jī)動(dòng)模式，全面提升自然資源衛(wèi)星高程測(cè)量精度和應(yīng)用能力。