高分七號衛星激光測高數據處理與精度初步驗證

李國元，唐新明,陳繼溢，么嘉棋,2,劉 詔,高小明,3,左志強，周曉青

1. 自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048； 2. 山東科技大學測繪與空間信息學院，山東 青島 266590； 3. 江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，江蘇 南京 210023

激光測高衛星是對地觀測衛星的重要組成部分[1-2]。美國先后于2003年、2018年發射了冰、云和陸地高程衛星(ice、cloud and land elevation satellite，ICESat)及后續衛星ICESat-2，在極地變化監測、湖泊水位測量、高精度地形測量等領域得到廣泛應用，成為發展激光測高衛星的成功案例[3-4]，并于2018年12月在國際太空站上成功裝備了全球生態系統動力學調查(global ecosystem dynamics investigation,GEDI)[5]多波束激光測高儀。雖然我國目前還沒有專門的激光測高衛星，但在2016年發射的資源三號02星，成功實現了試驗性激光測高載荷對地觀測的高程有效測量，并驗證了提升立體影像無控高程精度的可行性[6-7]。2019年11月3日成功發射的高分七號(GF-7)衛星上裝備的業務化應用的全波形激光測高儀，能為快速獲取高程控制點、監測大型湖泊水位變化等提供高精度數據支撐[8]。

標準化測繪處理是國產衛星激光測高產品走向工程化應用的基礎和前提。我國對月觀測的“嫦娥”系列衛星上搭載過激光測高系統[1,9]，但其觀測條件、儀器性能、精度指標等與對地觀測有很大區別。此外，國外雖然先后建立了ICESat/GLAS、ICESat-2/ATLAS、GEDI等為代表的衛星激光測高產品體系[3-5,10]，但其載荷與國內存在一定差異，如國產的高分七號衛星激光測高儀同時配備了足印相機而國外沒有。因此，研究國產高分七號衛星激光測高標準化處理方法及產品設計，具有非常重要的現實意義和應用價值。

圍繞激光測高數據處理及產品設計，文獻[11]研究了衛星激光測高嚴密幾何模型、對影響激光精度的衛星軌道和姿態、指向角、大氣、潮汐、光行差等進行了較深入地分析；文獻[12]針對資源三號02星激光測高儀數據處理，并從指向角、觀測時間、側擺等方面進行了質量評價分析；文獻[13]針對大氣折射對激光測距精度影響進行了研究，目前已經形成較成熟的方案，但目前大氣散射的影響及校正還有待深化[14-15]；文獻[16—19]對衛星激光測高誤差及精度等進行分析，并明確指出坡度是影響測高精度的一個重要因素[19]。國產衛星激光測高產品設計相關研究則基本為空白。本文結合高分七號激光測高數據特點，研究了高分七號激光測高產品分級、標準產品數據處理流程、產品結構等內容，然后利用多個驗證區外業測量結果驗證了標準產品平面和高程精度。所得結論對我國后續激光測高衛星數據處理、精度評定具有重要的示范價值。

1 高分七號衛星激光測高儀特點

1.1 高分七號衛星激光測高儀概況

高分七號衛星激光測高系統包括2波束激光器,以3 Hz的工作頻率向地面發射1064 nm波長的激光脈沖，在地面形成沿軌間隔約2.4 km、垂軌間隔約12.25 km的離散激光光斑，如圖1所示。對應20 km×20 km幅寬的線陣遙感影像范圍內有2列共16個激光點。

高分七號激光測高儀主要技術指標見表1。

表1 激光測高儀主要技術指標[20]

1.2 高分七號衛星激光測高數據特點

高分七號衛星激光測高系統在獲取全波形數據的同時，利用足印相機記錄激光的發射光斑強度分布及地面落點位置周圍的地物影像，通過影像匹配實現激光與線陣遙感影像的幾何關聯。激光器與足印相機有兩種協同工作模式，即同步模式和異步模式。在同步模式下，足印相機對激光光斑和地物同時成像，形成一幅具有激光光斑的足印影像，為避免偏亮的光斑分布影像與實際落點位置地物影像重疊，影響地物的解譯與識別，硬件設計時進行了激光波束指向在足印影像上約0.4°的偏移，實現激光光斑和實際落點地物的分離，通過外場幾何定標可獲得實際落點位置相對于光斑質心的偏移量，如圖2所示。異步模式下，足印相機在激光脈沖發射的前、后曝光形成兩幅地物影像，且在激光發射時曝光形成光斑影像，如圖3所示。

激光足印相機指向記錄方式的誤差來源于激光導光光路(圖4中紅色線部分)，在激光光軸指向與足印相機耦合關系非常穩定的前提下，該誤差理論上可視為一個常數，對應在足印影像(laser footprint image，LFI)上為一個平移量。在實驗室通過嚴密的測量建立了激光光斑質心與落點位置的轉換關系，通過在軌定標可以確定激光的落點在足印影像的真實位置，通過監視光斑質心變化可以確定實際落點位置是否發生變化。異步模式下可通過激光落點標定位置以及發射前后的地物影像內插，獲得激光在地物影像上的實際像素位置。

圖5為高分七號衛星激光測高的原始回波波形數據樣例，所代表的地表覆蓋類型分別為裸地、建筑物和植被等。

2 高分七號衛星激光數據處理

2.1 產品分級

結合高分七號衛星激光測高儀的特點，同時參考國外ICESat、ICESat-2、GEDI等多型衛星激光數據產品分級規范，對高分七號衛星激光測高產品分級見表2。

表2 高分七號衛星激光測高產品分級信息表

SLA03作為激光標準測繪產品，目前已在自然資源部國土衛星遙感應用中心實現業務化生產，可以對外分發供相關用戶使用[21]。同時隨著數據的積累，正在逐步構建全球高程控制點數據產品SLA05以及大型湖泊水位產品SLA06。鑒于高分七號激光較低的重頻率和極地覆蓋能力，目前林業及極地相關產品并未納入產品體系中。同時考慮到大氣在對地觀測衛星中的特殊影響，氣溶膠、光學厚度、云高等大氣專題產品SLA04目前作為備選項進行了保留，后期將結合高分七號同平臺的多光譜影像、足印影像及第三方的相關數據，逐步構建大氣專題產品，對激光的精細化應用提供支撐。

圖1 高分七號衛星激光測高數據概況Fig.1 Data acquisition method for laser altimetry of GF-7 satellite

圖2 同步曝光模式足印影像Fig.2 Laser footprint image in synchronous exposure mode

2.2 激光測高標準產品數據處理流程

高分七號衛星激光測高標準產品SLA03是其他類專題產品的基礎，類似ICESat-2衛星的ATLAS系列產品中的ATL03(全球激光點地理定位產品)。高分七號后續的高程控制點、湖泊水位等專題產品均可由SLA03標準產品經深加工而生成。標準產品SLA03的處理流程如圖6所示，針對高分七號衛星激光測高數據，采用事后處理的精密軌道和姿態數據，并對大氣、潮汐等環境影響進行精細改正得到的精確三維坐標[2,11,22]、具有精確地理信息的足印影像、標準化的波形特征參數等。處理步驟如下。

圖3 異步曝光模式足印影像Fig.3 Laser footprint image in asynchronous exposure mode

圖4 高分七號衛星激光足印影像原理Fig.4 Principle of laser footprint image of GF-7 satellite

(1) 波形處理。對波形數據進行預處理，經高斯分解提取波形特征參數，結合發射和接收回波對應的時間差，計算激光傳輸的距離和粗定位位置。

(2) 大氣改正。結合全球氣象再分析資料，如美國國家環境預測中心(national centers for environmental prediction，NCEP)發布的全球1°×1°的每天4個時段的氣象資料，利用激光的粗定位位置計算大氣延遲改正值，獲得精確距離值。

圖5 高分七號衛星激光測高的原始回波波形數據示例Fig.5 Example of original echo waveform data of GF-7 satellite laser altimetry

(3) 足印影像處理。對足印影像進行預處理，提取激光光斑質心位置并分析其變化，根據定標結果在足印影像異步模式下合成虛擬足印影像。結合質心的位置變化和校正公式，對激光光斑的實際落點位置進行修正[23-24]。

(4) 潮汐改正和精確位置解算。結合精確距離值、精密軌道和姿態數據、幾何定標以及落點位置修正值，計算激光點的三維坐標，并疊加固體潮、海潮、極潮、負荷潮等各類潮汐改正。

(5) 質量控制標記。結合足印影像云檢測、光軸監視相機光斑質心穩定性監測等對激光三維坐標的質量進行相應標記。

激光測高精度不可避免受大氣、地形、地物等因素的影響，質量控制是激光數據處理過程中的一個重要環節，也是非成像類衛星產品的一個難點問題。為盡量滿足后續高程控制點應用的自動識別，在高分七號衛星激光測高標準產品處理過程中，綜合采用了波形脈寬、波峰數、足印影像基本質量判斷、地形坡度等信息[22]，增加了ECP_Flag (elevation control point flag)字段，共標記了8類，除標記為10的代表落水外，剩下的7級用于標識激光點作為高程控制點的可用性。SLA03產品中ECP_Flag標記為1、2、3的激光點表示建議高程控制點使用，其中標記為1的代表地形地物單一、坡度小于2°，高程精度非常高，理論上應優于0.17 m；標記為2的代表坡度小于5°且回波中主峰面積和能量占優，精度較高，理論上優于0.43 m；標記為3的代表坡度小于7.5°，回波中主峰面積和能量基本占優，理論上精度優于0.65 m，但因大光斑內地物影響，精度的可信度可能有一定不足；標記為4～6的不推薦為控制點，主要是地物類型比較復雜、波形分解的波峰數大于等于3個，且波形有展寬，但可考慮用于林業樹高、建筑物高度等特征提取應用；標記為7代表該點信噪非常低、可靠性較差；標記為10的代表根據地理位置和GLC30(global land cover,http:∥www.globalland cover.com)地表覆蓋分類判斷該點落水，是位于水體上的激光點，不能用于高程控制點使用，后續可考慮用于大型湖泊水位測量應用。

圖6 高分七號衛星激光測高標準產品生產流程Fig.6 Production process of GF-7 satellite laser altimetry standard product

2.3 激光測高標準產品的具體構成

高分七號衛星激光測高標準產品SLA03中包括波形數據、影像數據、激光足印三維坐標以及各種特征參數。主體文件以HDF5格式存儲，在HDF5文件內部，每個激光點存儲在一個組(Group)中，每個激光點的數據由若干字段組成，根據字段的具體內容分為6個子組(SubGroup)，包括綜合信息(Basic_Information)、足印影像信息(LFI_Information)、波形信息(Waveform_Feature)、地形地物信息(TerrainFeature)、地球物理信息(Geophysic)、其他字段(Other)。其中，綜合信息中包含激光點的編號、三維坐標、所屬激光器等，足印影像信息中包含足印影像分辨率、激光落點在足印影像上的像素位置、足印影像數據體等，波形信息包含經濾波去噪等預處理后的發射和回波波形，經高斯分解后的波形特征參數等，地形地物信息中主要包含基于波形提取的激光光斑內的高程分層值、地表坡度等，地球物理信息中包含大氣折射延遲距離改正值以及固體潮、極潮、海潮和負荷潮改正值，其他字段包含基于GLC30獲取的激光落點處地物覆蓋類別、陸海標識。

2.3.1 激光測高標準產品組織形式

激光測高標準產品主要有數據主體文件、元數據文件、空間分布文件、激光三維坐標文件(表3)。其中，主體文件為產品主體，存儲了激光測高標準產品的所有信息。元數據文件為輔助文件，存儲了激光測高標準產品的元信息?？臻g分布文件為Shape文件，包含了配套的輔助文件，一起存放于LaserRange文件夾中。激光三維坐標文件為文本文件，提供各個激光點的索引、經度、緯度、高程、高程可用性標記等信息。

表3 激光測高標準產品文件列表

2.3.2 激光測高標準產品命名規則

激光測高標準產品統一命名為：

SLA03_GF7_01_iiiiii_Eaaa.a_Nbb.b_YYYYMMDDHHMMSS_XXX.H5/XML/SHP

其中，

SLA03：測高標準產品在對地觀測衛星產品體系中的類別編號。

GF7_01：高分七號01衛星的簡稱。

iiiiii：衛星運營商定義的軌道編號。

Eaaa.a：該數據段中心經度，保留1位小數，東經為E，西經為W。

Nbb.b：該數據段中心緯度，保留1位小數，北緯為N，南緯為S。

YYYYMMDD：該數據段中心對應的日期，格式為年月日。

HHMMSS：該數據段中心對應的時間，格式為時分秒。

XXX：數據接收站簡稱，如MYC為密云站。

3 高分七號衛星激光測高標準產品精度驗證

針對經業務化自動處理生產的SLA03激光測高標準產品，開展平面和高程精度驗證，其中平面精度驗證采用地面探測器進行評價，高程精度采用實地RTK-GPS測量點和LiDAR-DSM進行驗證分析。

3.1 平面精度驗證

高分七號衛星在軌測試期間，自然資源部國土衛星遙感應用中心、中國資源衛星應用中心等多家單位聯合，在2020年6月14日、6月15日、7月14日、7月19日先后多次在幾何定標場準確捕捉到激光光斑[20]，利用探測器的中心位置可以對定標后經標準處理生產的SLA03產品進行平面絕對精度評價，結果見表4。

表4 基于地面探測器的激光點平面誤差統計

表4中計算高程值為空的代表該激光點所在區域地面布設了角反射器，波形出現了飽和現象。由表4可以看出，激光點的平面精度在同一天的同一波束內具有非常好的一致性，如波束1在7月14日的編號為959536149和959536153的兩個激光點平面誤差較差為0.12 m，對應激光指向短時間的穩定精度為0.05″；波束2在7月19日的編號為964719118和964719122的兩個激光點平面誤差較差為0.58 m，對應激光指向短時間的穩定精度約0.24″。試驗區波束1的激光點平面絕對誤差最大為4.861 m，波束2最大為3.489 m，基于地面探測器統計的兩波束激光的平面精度分別為(3.896±1.029)m和(3.286±0.337)m。

3.2 高程精度評價

為評價激光點的絕對高程精度，采用定標區，以及陜西華陰地區、德國北威州地區的高分七號多期實際數據進行評價，高程基準均統一為WGS-84橢球的大地高。陜西華陰地區的高程范圍為[299.3 m,1535.7 m]，平地和山區基本各占一半；德國北威州驗證區的高程范圍為[73.8 m,613.2 m]，絕大部分屬于城市平坦地區，部分屬于丘陵和山區。其中后兩個區域的激光點與定標區在時間和空間上均有一定距離，更能反映高分七號激光標準產品的真實精度水平。

在外場定標區2020年6月9日、6月14日、6月19日、6月24日分別實測了一定數量的RTK-GPS點，與實際計算的高程值的誤差見表5。波束1和波束2參與統計的個數分別為22個，精度分別為(0.018±0.099)m，(-0.017±0.096)m。即與定標區時間和空間臨近的激光點，在坡度小于2°的平坦地區絕對高程精度優于0.10 m。

表5 臨近定標區的激光點高程驗證結果統計

選擇與內蒙古定標區有一定時間和空間間隔的陜西驗證區開展絕對精度驗證，數據獲取時間分別為2020年4月26日、5月1日的2662軌和2738軌。點位分布如圖7所示，針對激光點的落點位置經緯度，以3～5 m間隔往外擴20 m左右，利用RTK-GPS采集地面點的三維精確坐標，如圖8所示。波束1共45個點、波束2共25個點，經統計波束1和波束2的總體高程精度分別為(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m，相關結果見表6。表6中ECP_Flag字段標記為1的個數均為11個，精度分別為(0.111±0.152)m、(-0.064±0.115)m；標記為2的分別為10個和5個，精度分別為(0.246±0.229)m、(0.122±0.269)m。

由表6可以看出，標記為1的激光點絕對高程精度非常高，完全可以作為高程控制點使用；標記為2的次之，精度基本在0.3 m以內；標記為3的精度在0.5 m左右、可以考慮使用；剩下的為地形、地物復雜區或信噪比較低的點精度較差，不能作為控制點使用。從統計結果來看，標記為1和2的標記方法完全可信、精度可靠，可以作為高精度高程控制點使用。

表6 陜西驗證區激光點絕對高程精度統計表

圖7 陜西區域部分激光高程點分布示意Fig.7 Distribution map of laser elevation points in Shaanxi province

圖8 激光落點與RTK-GPS測點位置示意Fig.8 Schematic diagram of laser landing site and location of RTK-GPS measuring point

進一步地選擇境外德國北威州地區共5軌高分七號衛星激光測高數據，如圖9所示。分別為2020年6月21日的第3516軌、7月6日的第3745軌、7月11日的第3820軌、7月21日的第3973軌、8月29日的第4564軌。由于該區域激光點分布范圍較大，考慮到激光存在一定間距，因此圖中的圓圈要小于上文中的圖7，即圓圈僅代表激光點位置，不代表實際激光光斑大小。圖中部分空白段代表該區域因云層較厚激光未達到地面，數據無效。參考高程來自于該區域高精度的機載LiDAR-DSM數據，格網大小為1 m，獲取時間為2014—2016年，高程基準為德國采用的DHHN2016，采用EGM2008大地水準面模型轉換為WGS-84橢球的大地高。經咨詢國外該數據發布方的專家，高程基準轉換精度在0.1～0.2 m，綜合考慮LiDAR點云本身的精度，該區域參考數據的絕對高程精度約0.25 m。該區域SLA03產品的絕對高程精度評價結果見表7，兩波束激光的總體精度分別為(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m。ECP_Flag標記為1的高程精度分別為(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m，標記為2的高程精度分別為(-0.110±0.454)m、(0.024±0.501)m，能控制在0.5 m內，即ECP_Flag標記為1和2的可以作為高程控制點使用。

圖9 德國北威州地區高分七號衛星激光測高數據分布示意Fig.9 Distribution map of laser elevation points in North Rhine-Westphalia of Germany

表7 德國北威州地區激光點絕對高程精度統計

4 總結與展望

本文針對高分七號衛星激光測高數據標準產品處理方法進行了研究，并綜合采用定標區以及與定標區有一定時空差距的陜西、德國等區域進行產品精度驗證。

(1) 經標準化測繪處理后，目前高分七號的激光精度能實現平地高程優于0.15 m的較高水平；其中定標區平面精度優于5.0 m，高程優于0.10 m。

(2) 驗證區的激光點高程精度隨地形地物影響存在一定差異，其中陜西區兩個波束的總體測高精度分別為(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m，德國北威州的總體測高精度分別為(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m。

(3) 高分七號衛星兩波束激光經質量控制后，在陜西華陰驗證區ECP_Flag標記為1的激光點高程精度分別為(0.111±0.152)m和(-0.064±0.115)m，德國北威州驗證區ECP_Flag標記為1的激光點高程精度分別為(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m。這兩個區域標記為2的激光點高程精度波束1分別為(0.246±0.229)m和(-0.110±0.454)m，波束2分別為(0.122±0.269)m和(0.024±0.501)m。說明通過質量控制標記ECP_Flag，可以將精度優于0.5 m能用作高程控制的點進行有效識別，標記為1和2的均能用作高程控制點，其中標記為1的精度更高，其中陜西華陰驗證區優于0.15 m、德國北威州驗證區優于0.3 m。

在資源三號02星試驗性激光測高的基礎上，高分七號雖然不是專門的激光測高衛星，但其激光測高載荷作為國內首臺業務化應用的對地觀測激光測高儀，進一步實現了我國衛星激光測高技術的重大進步。與國外同類型的ICESat/GLAS全波形激光測高相比，高分七號激光光斑更小、精度相對略高，但在激光器硬件水平的重頻率及應用場景多樣性方面還有一定差距。此外，高分七號激光足印影像還存在分辨率偏低、輻射質量不穩定，在大角度側擺下幾何精度下降等問題。在肯定進步的同時，我們也需要正視問題，進一步創新，深入挖掘國產衛星激光測高的精度潛力、應用潛力，同時要加快推動陸海激光衛星的預研攻關[25-26]，爭取早日發射國產首顆專業型號的激光測高衛星，在測繪、極地、林業、水利等多個行業實現規?；瘧谩?/p>