星載激光測高地面數據處理設計研究

李彬彬，謝 歡，童小華，張志杰，2

（1.同濟大學 測繪與地理信息學院，上海 200092；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

0 引言

早在20 世紀60年代，星載激光雷達就已被美國應用于月面測距，并在隨后被應用于火星、水星、小行星等行星表面高程探測。我國的“嫦娥一號”到“嫦娥三號”、日本的月亮女神探測器、印度的“月球初航-1”衛星等也都搭載過用于測量月球表面地形的激光測高儀。而在對地觀測方面，除一些實驗性的載荷之外，由美國國家航空航天局發射的ICE?Sat 衛星的激光測高儀GLAS 是全球第一個星載衛星激光測高系統，目前已停止工作。作為其第二代衛星，ICESat-2 衛星［1］于2018年成功發射，目前處于測試標定階段，在2019年對外正式發布數據。

ICESat/GLAS 的測高精度約為4～15 cm，工作期從2003—2009年，獲取了共計18 個任務期的激光測高數據［2-3］。其主要科學目標為測量南北極冰蓋高程和海冰的變化、云和氣溶膠高度，以及地形和植被特征參數［4］。該衛星通過激光器同時發射532 nm 和1 064 nm 兩個波段的激光，已廣泛應用于極地冰蓋的高程精密監測［5-8］、極地冰下湖活動［9］、森林冠層提?。?0-11］等。

我國除了2016年5 月發射的“資源三號02 星”搭載的試驗性激光載荷之外，在“高分”系列衛星中，尚有計劃于2019年發射“高分七號”（GF-7）衛星。該衛星是高分辨率立體測繪衛星，其主要有效載荷包括立體測繪相機和激光測高儀（多波束，附帶足印相機等）等。本文在借鑒ICESat/GLAS 測高地面數據處理軟件系統的基礎上，針對GF-7 衛星激光測高儀特點，設計一套星載激光測高地面數據處理軟件系統并展開測試，為GF-7 衛星數據的高精度幾何處理、地表高程和地物高度信息的精確提取及其變化監測提供支撐技術。

1 星載激光測高地面數據組成

星載激光測高系統的數據主要包括了時間系統數據、激光系統數據、定軌系統數據、定姿系統數據以及激光光束指向系統數據等。以GLAS為例，星載晶體振蕩器和由星載GPS 設備測量解算出的GPS 時間信息，組成了主要的時間系統數據；激光發射器發射的1 064 nm 激光，經望遠鏡、探測器及模數轉換器等設備處理后，生成了激光系統數據；星載GPS 設備測量和解算出的GPS 定位信息，在過境地面測站時與激光角反射器評估信息的共同作用下，可提供衛星精確定軌數據［12］；星敏感器（In?strument Star Trackeer，IST）在獲得衛星平臺相對于天球坐標系的姿態數據后，結合慣性參考單元（Inertial Reference Unit，IRU）中陀螺儀（Hemisperi?cal Resonator Gyros，HRG）測量的數據，以及采用擴展卡爾曼方法內插，生成了衛星定態數據；激光參考相機（Laser Reference Camera，LRC）和激光輪廓陣列（Laser Profiling Array，LPA）各自的激光光束成像、激光參考傳感器（Laser Reference Sensor，LRS）的觀測圖像、校準參考源（Collimated Refer?ence Source，CRS）的輔助校準以及姿態系統共同作用下，提供了激光光束指向系統數據［13-14］。而作為我國民用領域第一臺業務化運行的星載激光測高GF-7 衛星，其載荷數據還包括了足印相機和立體測繪相機的影像數據等。

伴隨著系統數據的生成，諸如儀器（主/備）使用情況、儀器屬性參數（如溫度、供電電壓等）以及星上處理生成這些數據所使用算法的輔助信息（如探測信號門限值、先驗DEM等）都需要分析整理，以便在相應的算法處理中作為參數值輸入或質量標簽依據。特別對于激光系統數據而言，由于激光脈沖在地球大氣層傳輸過程中，與大氣的氣體分子和大氣氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨、雪等接觸而產生的測距誤差，以及因潮汐影響而導致的腳點定位誤差，需要對其進行相應的大氣潮汐模型改正［15］。

綜上所述，星載激光測高地面數據具有種類繁多、分散且數據量大等特點，而衛星激光測高的精度是衛星時間系統、軌道定位、姿態確定、激光指向、測距精度等關鍵要素共同作用的結果。因此，需要設計一套激光衛星測高地面數據處理系統對數據進行整理、評價、篩選及解算，最終形成可供應用單位使用的激光數據產品體系。

2 星載激光測高地面數據處理系統設計

如圖1 所示，星載激光測高地面數據處理系統在用戶界面中提供兩種數據處理模式，分別為對單條數據記錄進行分析的主界面模式和對數據精細批量處理的批處理界面模式。而在算法處理上，則包含了4 個數據處理模塊，分別為1 級激光數據處理模塊、2 級激光數據處理模塊、3 級激光數據處理模塊和質量控制處理模塊。其中，1 級激光數據處理生成激光測高產品，2 級激光數據處理生成激光波形產品，3 級激光處理生成激光定位產品。各級的質量評價指標，如發射波和回波信號是否過門限值標志，回波信噪比、波形分解擬合等都伴隨各級激光數據處理后產生，而各級激光數據整體的質量控制則由質量控制處理模塊提供。

2.1 1 級激光數據處理模塊

1 級激光數據處理模塊主要功能是對原始激光數據包進行整理和初步分析，包括預處理、能量計算、衛星軌道位置計算等，生成包括數據識別號（ID）、發射波能量、回波（最大峰值、全波）能量和衛星軌道位置等激光測高產品。

圖1 總體設計Fig.1 General design of the system

2.2 2 級激光數據處理模塊

2 級激光數據處理模塊主要功能是對經過1 級激光數據處理模塊后的波形數據進行處理，包括發射波表征［15］、回波平滑濾波［15-16］、回波高斯分解［15］、波形參數提取［17-21］等，生成包括發射波表征參數、回波高斯分解結果、波形參數（主要包括波形全高、波形長度、波峰長度和半波能量高等）等激光波形產品。

2.3 3 級激光數據處理模塊

3 級激光數據處理模塊的功能主要是圍繞激光地面腳點定位的計算，即對經過2 級激光數據處理模塊處理后得到的數據進行包括激光到達地面點的初始距離計算［15］、初始激光地面腳點定位［13，22-24］、大氣改正［25］和潮汐改正［26］等，生成包括初始距離、激光地面腳點定位的三維坐標值、大氣改正值和潮汐改正值等激光定位產品，主要處理流程如圖2所示。

圖2 激光地面腳點定位主要處理流程Fig.2 Main processing flow of the laser ground footprint positioning

2.4 質量控制處理模塊

質量控制處理模塊主要是針對時間段內（或沿軌距離內）的激光數據集進行整體的數據產品綜合評價。該處理模塊在兩種用戶界面交互中，只由批處理界面所調用并產生相應的質量控制文件。內容上主要包括檢測各類數據（如波形數據、影像數據、輔助信息數據等）的缺失情況，以及統計分析相關信息值（如時間信息、衛星位置信息、波形相關屬性信息等）。通過該模塊生成的質量控制文件，可以更加全面地分析某段時間內的激光數據，并依據相應的數據應用質量需求對數據進行選擇。

3 星載激光測高地面數據處理系統性能測試

打開程序，將顯示程序的主界面，如圖3 所示。通過導入星載激光測高地面數據，將可以開始對數據展開逐級數據模塊處理和分析。為此，程序為逐級數據處理模塊的處理結果提供4 種不同的顯示視圖，分別為波形視圖、地圖視圖、影像視圖及分析視圖。其中，波形視圖專門為波形的各類處理結果提供波形數據顯示，地圖視圖專門為衛星軌道位置及激光腳點定位在世界地圖范圍內提供位置顯示，影像視圖專門為足印相機等各類輔助分析的影像提供影像顯示，分析視圖則是為所有文本形式的處理結果提供文本顯示。

圖3 軟件主界面Fig.3 Main interface of the software

作為軟件運行測試例子，本文選用模擬數據中某條數據記錄進行分析。圖4 顯示了該條數據記錄經過3 級激光數據處理模塊后的主要分析結果，包括地面數據包中足印相機影像在影像視圖中的顯示，1 級激光數據處理模塊中衛星位置計算在分析視圖中的結果，2 級激光數據處理模塊中對波形進行平滑濾波及高斯分解后在波形視圖中的結果，以及3 級激光數據處理模塊中腳點定位計算后在地圖視圖中的顯示結果。

作為另一種用戶界面交互模式，批處理界面向用戶提供了4 個參數輸入子模塊，以及信息總覽子模塊，如圖5 所示。

圖5 批處理界面Fig.5 Interface of batch processing

4 個參數輸入子模塊分別為文件導入子模塊、波形分析子模塊、腳點定位子模塊、誤差修正子模塊。用戶導入數據由文件導入子模塊提供入口。由于1 級激光處理模塊的參數主要為儀器屬性參數，因此，不對用戶開放。2 級激光處理模塊中的平滑濾波方法及濾波窗口大小的旋轉對用戶開放，由波形分析子模塊中提供入口。3 級激光處理模塊中的激光腳點定位涉及的J2000 轉WGS84 矩陣數據文件路徑由腳點定位子模塊提供入口，大氣改正數據文件路徑及潮汐改正數據文件路徑由誤差修正子模塊提供入口。信息總覽子模塊對用戶在前4 個子模塊中的輸入參數總信息匯總，方便用戶對輸入參數進行整體檢查確認。經過批處理界面處理的數據將生成對應的產品文件和質量控制文件。其中，產品文件中每一條記錄的內容形式與主界面處理后的內容形式相同，質量控制文件為文本格式。

目前，由于GF-7 號尚未發射，其實際激光測高精度還有待進一步驗證。在星載激光測高仿真實驗測試中，當衛星軌道高度為500 km，激光地面腳點位于平坦地區（坡度小于3°），指向角誤差小于10 μrad，并且其他誤差項（硬件系統誤差項、大氣潮汐誤差改正項、粗糙度誤差改正項等）改正后對高程造成的誤差控制在20 cm 以內時，測高精度可優于1 m。

4 結束語

本文在研究了ICESat/GLAS 測高系統軟件的基礎上，針對GF-7 號衛星的特點，開展了星載激光測高地面數據系統軟件的設計并對其進行測試。該系統能夠較好地兼顧用戶在星載激光測高地面數據分析及其產品批量處理兩方面的需求。同時，在星載激光雷達測高仿真實驗測試中，平坦區域的高程精度最高可優于1 m。隨著GF-7 號發射在即，本文所研究的星載激光測高地面數據系統將對GF-7 號激光測高地面數據的處理具有一定的參考意義。由于GF-7 號尚未發射，軟件系統的設計僅立足于其部分公開的資料，后續工作還要依據實際GF-7 號的星載激光數據，對現有的軟件框架進行修正。