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摘要：
裝備在高分七號(hào)衛(wèi)星上的是我國首個(gè)具備全波形記錄功能的激光測(cè)高儀，主要用于獲取地面稀疏的高程控制點(diǎn)，提高了同平臺(tái)立體影像無地面控制點(diǎn)的立體測(cè)圖精度。高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)化處理是測(cè)繪應(yīng)用的關(guān)鍵步驟，所生成的激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品是后續(xù)對(duì)外分發(fā)和業(yè)務(wù)化應(yīng)用的重要前提。本文圍繞高分七號(hào)衛(wèi)星的激光數(shù)據(jù)，研究了激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理方法，驗(yàn)證了激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的幾何精度。選擇幾何定標(biāo)區(qū)以及陜西華陰、德國北威州等多個(gè)驗(yàn)證區(qū)，結(jié)合高精度外業(yè)測(cè)量點(diǎn)和機(jī)載LiDAR-DSM數(shù)據(jù)，對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品開展精度驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，高分七號(hào)SLA03產(chǎn)品定標(biāo)區(qū)兩波束激光的平面精度分別為（3.896±1.029）m和（3.286±0.337）m、高程精度分別為（0.018±0.099）m和（-0.017±0.096）m。采用高程控制點(diǎn)質(zhì)量控制參數(shù)ECP_Flag能有效標(biāo)識(shí)出可用于高程控制的激光點(diǎn)，其中陜西華陰驗(yàn)證區(qū)兩波束激光總體精度分別為（-0.113±2.519）m和（0.191±1.071）m，經(jīng)質(zhì)量控制后ECP_Flag標(biāo)記為1的激光點(diǎn)高程精度為（0.111±0.152）m和（-0.064±0.115）m；德國北威州總體精度為（-0.897±5.485）m和（-0.202±6.207）m，ECP_Flag標(biāo)記為1的激光點(diǎn)高程精度為（-0.304±0.190）m和（-0.279±0.220）m。目前高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品已在自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞 ：高分七號(hào)衛(wèi)星；衛(wèi)星激光測(cè)高；標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；精度驗(yàn)證；高程控制點(diǎn)
閱讀全文：http://xb.sinomaps.com/article/2021/1001-1595/2021-10-1338.htm
引 言
激光測(cè)高衛(wèi)星是對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的重要組成部分[1-2]。美國先后于2003年、2018年發(fā)射了冰、云和陸地高程衛(wèi)星(ice、cloud and land elevation satellite，ICESat)及后續(xù)衛(wèi)星ICESat-2，在極地變化監(jiān)測(cè)、湖泊水位測(cè)量、高精度地形測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為發(fā)展激光測(cè)高衛(wèi)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(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查(global ecosystem dynamics investigation, GEDI)[5]多波束激光測(cè)高儀。雖然我國目前還沒有專門的激光測(cè)高衛(wèi)星，但在2016年發(fā)射的資源三號(hào)02星，成功實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)性激光測(cè)高載荷對(duì)地觀測(cè)的高程有效測(cè)量，并驗(yàn)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(fā)射的高分七號(hào)(GF-7)衛(wèi)星上裝備的業(yè)務(wù)化應(yīng)用的全波形激光測(cè)高儀，能為快速獲取高程控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)大型湖泊水位變化等提供高精度數(shù)據(jù)支撐[8]。
標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)繪處理是國產(chǎn)衛(wèi)星激光測(cè)高產(chǎn)品走向工程化應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。我國對(duì)月觀測(cè)的“嫦娥”系列衛(wèi)星上搭載過激光測(cè)高系統(tǒng)[1, 9]，但其觀測(cè)條件、儀器性能、精度指標(biāo)等與對(duì)地觀測(cè)有很大區(qū)別。此外，國外雖然先后建立了ICESat/GLAS、ICESat-2/ATLAS、GEDI等為代表的衛(wèi)星激光測(cè)高產(chǎn)品體系[3-5, 10]，但其載荷與國內(nèi)存在一定差異，如國產(chǎn)的高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀同時(shí)配備了足印相機(jī)而國外沒有。因此，研究國產(chǎn)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)化處理方法及產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。
圍繞激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)品設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[11]研究了衛(wèi)星激光測(cè)高嚴(yán)密幾何模型、對(duì)影響激光精度的衛(wèi)星軌道和姿態(tài)、指向角、大氣、潮汐、光行差等進(jìn)行了較深入地分析；文獻(xiàn)[12]針對(duì)資源三號(hào)02星激光測(cè)高儀數(shù)據(jù)處理，并從指向角、觀測(cè)時(shí)間、側(cè)擺等方面進(jìn)行了質(zhì)量評(píng)價(jià)分析；文獻(xiàn)[13]針對(duì)大氣折射對(duì)激光測(cè)距精度影響進(jìn)行了研究，目前已經(jīng)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(xiàn)[16-19]對(duì)衛(wèi)星激光測(cè)高誤差及精度等進(jìn)行分析，并明確指出坡度是影響測(cè)高精度的一個(gè)重要因素[19]。國產(chǎn)衛(wèi)星激光測(cè)高產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)研究則基本為空白。本文結(jié)合高分七號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)特點(diǎn)，研究了高分七號(hào)激光測(cè)高產(chǎn)品分級(jí)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理流程、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，然后利用多個(gè)驗(yàn)證區(qū)外業(yè)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品平面和高程精度。所得結(jié)論對(duì)我國后續(xù)激光測(cè)高衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理、精度評(píng)定具有重要的示范價(jià)值。
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀特點(diǎn)
1
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀概況
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)包括2波束激光器, 以3 Hz的工作頻率向地面發(fā)射1064 nm波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)20 km×20 km幅寬的線陣遙感影像范圍內(nèi)有2列共16個(gè)激光點(diǎn)。圖 1 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)概況
高分七號(hào)激光測(cè)高儀主要技術(shù)指標(biāo)見表 1。
表 1 激光測(cè)高儀主要技術(shù)指標(biāo)
指標(biāo)
設(shè)計(jì)值
測(cè)量范圍
450~600 km
測(cè)距精度
設(shè)計(jì)值：≤0.3 m(坡度小于15°)
激光波束
2波束
激光重復(fù)頻率
3 Hz
單脈沖激光能量
初期不低于(180±2)mJ，激光器工作1×108次后，脈沖能量衰減不超過10%
激光器工作波長(zhǎng)
(1064±0.5)nm
激光發(fā)散角
在軌測(cè)試結(jié)果，波束1：38 urad；波束2：42 urad
光斑直徑
在軌測(cè)試結(jié)果，波束1：19 m；波束2：21 m
激光脈沖寬度
5~7 ns
激光發(fā)射和回波采樣頻率
2 GHz
激光發(fā)射和回波量化位數(shù)
10 bit
足印相機(jī)地面像元分辨率
3.2 m(@505.984 km)
足印相機(jī)視場(chǎng)角
≤±0.1°
足印影像量化位數(shù)
14 bit
2
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)特點(diǎn)
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)在獲取全波形數(shù)據(jù)的同時(shí)，利用足印相機(jī)記錄激光的發(fā)射光斑強(qiáng)度分布及地面落點(diǎn)位置周圍的地物影像，通過影像匹配實(shí)現(xiàn)激光與線陣遙感影像的幾何關(guān)聯(lián)。激光器與足印相機(jī)有兩種協(xié)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(jī)對(duì)激光光斑和地物同時(shí)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(shí)際落點(diǎn)位置地物影像重疊，影響地物的解譯與識(shí)別，硬件設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了激光波束指向在足印影像上約0.4°的偏移，實(shí)現(xiàn)激光光斑和實(shí)際落點(diǎn)地物的分離，通過外場(chǎng)幾何定標(biāo)可獲得實(shí)際落點(diǎn)位置相對(duì)于光斑質(zhì)心的偏移量，如圖 2所示。異步模式下，足印相機(jī)在激光脈沖發(fā)射的前、后曝光形成兩幅地物影像，且在激光發(fā)射時(shí)曝光形成光斑影像，如圖 3所示。圖2 同步曝光模式足印影像圖 3 異步曝光模式足印影像
激光足印相機(jī)指向記錄方式的誤差來源于激光導(dǎo)光光路(圖 4中紅色線部分)，在激光光軸指向與足印相機(jī)耦合關(guān)系非常穩(wěn)定的前提下，該誤差理論上可視為一個(gè)常數(shù)，對(duì)應(yīng)在足印影像(laser footprint image，LFI)上為一個(gè)平移量。在實(shí)驗(yàn)室通過嚴(yán)密的測(cè)量建立了激光光斑質(zhì)心與落點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過在軌定標(biāo)可以確定激光的落點(diǎn)在足印影像的真實(shí)位置，通過監(jiān)視光斑質(zhì)心變化可以確定實(shí)際落點(diǎn)位置是否發(fā)生變化。異步模式下可通過激光落點(diǎn)標(biāo)定位置以及發(fā)射前后的地物影像內(nèi)插，獲得激光在地物影像上的實(shí)際像素位置。圖 4 高分七號(hào)衛(wèi)星激光足印影像原理
圖 5為高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高的原始回波波形數(shù)據(jù)樣例，所代表的地表覆蓋類型分別為裸地、建筑物和植被等。圖5 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高的原始回波波形數(shù)據(jù)示例
高分七號(hào)衛(wèi)星激光數(shù)據(jù)處理
1
產(chǎn)品分級(jí)
結(jié)合高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀的特點(diǎn)，同時(shí)參考國外ICESat、ICESat-2、GEDI等多型衛(wèi)星激光數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)規(guī)范，對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高產(chǎn)品分級(jí)見表 2。
表 2 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高產(chǎn)品分級(jí)信息表
產(chǎn)品名稱
產(chǎn)品定義
備注
SLA00
原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件
星上原始數(shù)據(jù)
SLA01
對(duì)SLA00進(jìn)行解碼、整理、歸類后的明碼數(shù)據(jù)文件
按需提供
SLA02
對(duì)SLA01產(chǎn)品結(jié)合定標(biāo)參數(shù)、實(shí)時(shí)下傳的姿態(tài)和軌道信息，經(jīng)波形處理、基本幾何定位的基礎(chǔ)測(cè)距產(chǎn)品
粗略幾何定位和應(yīng)急使用
SLA03
對(duì)SLA01或SLA02，結(jié)合精密軌道、精密姿態(tài)、大氣和潮汐改正、全波形處理、足印影像測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成的激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品
已業(yè)務(wù)化生產(chǎn)，可對(duì)外分發(fā)
SLA04
氣溶膠、光學(xué)厚度、云高等大氣專題產(chǎn)品
在研
SLA05
對(duì)SLA03進(jìn)行質(zhì)量控制和自動(dòng)篩選提取后的高程控制點(diǎn)專題產(chǎn)品
全球高程控制點(diǎn)，按需提供
SLA06
基于SLA03生產(chǎn)的大型湖泊水位專題產(chǎn)品
南北向長(zhǎng)度大于10 km的湖泊
SLA03作為激光標(biāo)準(zhǔn)測(cè)繪產(chǎn)品，目前已在自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化生產(chǎn)，可以對(duì)外分發(fā)供相關(guān)用戶使用[21]。同時(shí)隨著數(shù)據(jù)的積累，正在逐步構(gòu)建全球高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品SLA05以及大型湖泊水位產(chǎn)品SLA06。鑒于高分七號(hào)激光較低的重頻率和極地覆蓋能力，目前林業(yè)及極地相關(guān)產(chǎn)品并未納入產(chǎn)品體系中。同時(shí)考慮到大氣在對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星中的特殊影響，氣溶膠、光學(xué)厚度、云高等大氣專題產(chǎn)品SLA04目前作為備選項(xiàng)進(jìn)行了保留，后期將結(jié)合高分七號(hào)同平臺(tái)的多光譜影像、足印影像及第三方的相關(guān)數(shù)據(jù)，逐步構(gòu)建大氣專題產(chǎn)品，對(duì)激光的精細(xì)化應(yīng)用提供支撐。
2
激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)處理流程
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品SLA03是其他類專題產(chǎn)品的基礎(chǔ)，類似ICESat-2衛(wèi)星的ATLAS系列產(chǎn)品中的ATL03(全球激光點(diǎn)地理定位產(chǎn)品)。高分七號(hào)后續(xù)的高程控制點(diǎn)、湖泊水位等專題產(chǎn)品均可由SLA03標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品經(jīng)深加工而生成。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品SLA03的處理流程如圖 6所示，針對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，采用事后處理的精密軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并對(duì)大氣、潮汐等環(huán)境影響進(jìn)行精細(xì)改正得到的精確三維坐標(biāo)[2, 11, 22]、具有精確地理信息的足印影像、標(biāo)準(zhǔn)化的波形特征參數(shù)等。處理步驟如下。圖6 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品生產(chǎn)流程
(1) 波形處理。對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)高斯分解提取波形特征參數(shù)，結(jié)合發(fā)射和接收回波對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，計(jì)算激光傳輸?shù)木嚯x和粗定位位置。
(2) 大氣改正。結(jié)合全球氣象再分析資料，如美國國家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(national centers for environmental prediction，NCEP)發(fā)布的全球1°×1°的每天4個(gè)時(shí)段的氣象資料，利用激光的粗定位位置計(jì)算大氣延遲改正值，獲得精確距離值。
(3) 足印影像處理。對(duì)足印影像進(jìn)行預(yù)處理，提取激光光斑質(zhì)心位置并分析其變化，根據(jù)定標(biāo)結(jié)果在足印影像異步模式下合成虛擬足印影像。結(jié)合質(zhì)心的位置變化和校正公式，對(duì)激光光斑的實(shí)際落點(diǎn)位置進(jìn)行修正[23-24]。
(4) 潮汐改正和精確位置解算。結(jié)合精確距離值、精密軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)、幾何定標(biāo)以及落點(diǎn)位置修正值，計(jì)算激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并疊加固體潮、海潮、極潮、負(fù)荷潮等各類潮汐改正。
(5) 質(zhì)量控制標(biāo)記。結(jié)合足印影像云檢測(cè)、光軸監(jiān)視相機(jī)光斑質(zhì)心穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等對(duì)激光三維坐標(biāo)的質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)記。
激光測(cè)高精度不可避免受大氣、地形、地物等因素的影響，質(zhì)量控制是激光數(shù)據(jù)處理過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是非成像類衛(wèi)星產(chǎn)品的一個(gè)難點(diǎn)問題。為盡量滿足后續(xù)高程控制點(diǎn)應(yīng)用的自動(dòng)識(shí)別，在高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品處理過程中，綜合采用了波形脈寬、波峰數(shù)、足印影像基本質(zhì)量判斷、地形坡度等信息[22]，增加了ECP_Flag (elevation control point flag)字段，共標(biāo)記了8類，除標(biāo)記為10的代表落水外，剩下的7級(jí)用于標(biāo)識(shí)激光點(diǎn)作為高程控制點(diǎn)的可用性。SLA03產(chǎn)品中ECP_Flag標(biāo)記為1、2、3的激光點(diǎn)表示建議高程控制點(diǎn)使用，其中標(biāo)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(yīng)優(yōu)于0.17 m；標(biāo)記為2的代表坡度小于5°且回波中主峰面積和能量占優(yōu)，精度較高，理論上優(yōu)于0.43 m；標(biāo)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(yōu)，理論上精度優(yōu)于0.65 m，但因大光斑內(nèi)地物影響，精度的可信度可能有一定不足；標(biāo)記為4~6的不推薦為控制點(diǎn)，主要是地物類型比較復(fù)雜、波形分解的波峰數(shù)大于等于3個(gè)，且波形有展寬，但可考慮用于林業(yè)樹高、建筑物高度等特征提取應(yīng)用；標(biāo)記為7代表該點(diǎn)信噪非常低、可靠性較差；標(biāo)記為10的代表根據(jù)地理位置和GLC30(global land cover, http://www.globallandcover.com)地表覆蓋分類判斷該點(diǎn)落水，是位于水體上的激光點(diǎn)，不能用于高程控制點(diǎn)使用，后續(xù)可考慮用于大型湖泊水位測(cè)量應(yīng)用。
3
激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的具體構(gòu)成
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品SLA03中包括波形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、激光足印三維坐標(biāo)以及各種特征參數(shù)。主體文件以HDF5格式存儲(chǔ)，在HDF5文件內(nèi)部，每個(gè)激光點(diǎn)存儲(chǔ)在一個(gè)組(Group)中，每個(gè)激光點(diǎn)的數(shù)據(jù)由若干字段組成，根據(jù)字段的具體內(nèi)容分為6個(gè)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(diǎn)的編號(hào)、三維坐標(biāo)、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(diǎn)在足印影像上的像素位置、足印影像數(shù)據(jù)體等，波形信息包含經(jīng)濾波去噪等預(yù)處理后的發(fā)射和回波波形，經(jīng)高斯分解后的波形特征參數(shù)等，地形地物信息中主要包含基于波形提取的激光光斑內(nèi)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(fù)荷潮改正值，其他字段包含基于GLC30獲取的激光落點(diǎn)處地物覆蓋類別、陸海標(biāo)識(shí)。
3.1 激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品組織形式
激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品主要有數(shù)據(jù)主體文件、元數(shù)據(jù)文件、空間分布文件、激光三維坐標(biāo)文件(表 3)。其中，主體文件為產(chǎn)品主體，存儲(chǔ)了激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的所有信息。元數(shù)據(jù)文件為輔助文件，存儲(chǔ)了激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的元信息。空間分布文件為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(biāo)文件為文本文件，提供各個(gè)激光點(diǎn)的索引、經(jīng)度、緯度、高程、高程可用性標(biāo)記等信息。
表3 激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品文件列表
激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品
文件格式
文件名
數(shù)據(jù)體
HDF5文件
*.h5
元數(shù)據(jù)
XML文件
*.xml
空間分布文件
LaserRange文件夾
*.shp *.dbf *.prj *shx
激光坐標(biāo)文件
文本文件
*.sla
3.2 激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品命名規(guī)則
激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品統(tǒng)一命名為：
SLA03_GF7_01_iiiiii_Eaaa.a_Nbb.b_YYYYMMDDHHMMSS_XXX.H5/XML/SHP
其中，
SLA03：測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品在對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星產(chǎn)品體系中的類別編號(hào)。
GF7_01：高分七號(hào)01衛(wèi)星的簡(jiǎn)稱。
iiiiii：衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商定義的軌道編號(hào)。
Eaaa.a：該數(shù)據(jù)段中心經(jīng)度，保留1位小數(shù)，東經(jīng)為E，西經(jīng)為W。
Nbb.b：該數(shù)據(jù)段中心緯度，保留1位小數(shù)，北緯為N，南緯為S。
YYYYMMDD：該數(shù)據(jù)段中心對(duì)應(yīng)的日期，格式為年月日。
HHMMSS：該數(shù)據(jù)段中心對(duì)應(yīng)的時(shí)間，格式為時(shí)分秒。
XXX：數(shù)據(jù)接收站簡(jiǎn)稱，如MYC為密云站。
高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品精度驗(yàn)證
針對(duì)經(jīng)業(yè)務(wù)化自動(dòng)處理生產(chǎn)的SLA03激光測(cè)高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，開展平面和高程精度驗(yàn)證，其中平面精度驗(yàn)證采用地面探測(cè)器進(jìn)行評(píng)價(jià)，高程精度采用實(shí)地RTK-GPS測(cè)量點(diǎn)和LiDAR-DSM進(jìn)行驗(yàn)證分析。
1
平面精度驗(yàn)證
高分七號(hào)衛(wèi)星在軌測(cè)試期間，自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心、中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心等多家單位聯(lián)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(biāo)場(chǎng)準(zhǔn)確捕捉到激光光斑[20]，利用探測(cè)器的中心位置可以對(duì)定標(biāo)后經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)處理生產(chǎn)的SLA03產(chǎn)品進(jìn)行平面絕對(duì)精度評(píng)價(jià)，結(jié)果見表 4。
表4 基于地面探測(cè)器的激光點(diǎn)平面誤差統(tǒng)計(jì)
波束號(hào)
日期
激光點(diǎn)ID
誤差值/m
東向
北向
平面
高程
波束1
6月14日
928438249
1.296
2.068
2.441
-0.009
6月15日
929460009
1.427
4.647
4.861
0.066
7月14日
959536149
-2.421
-3.434
4.201
-
959536153
-2.022
-3.546
4.082
-
波束2
6月14日
928438242
2.050
2.824
3.489
-0.014
7月19日
964719118
-1.918
-2.893
3.471
-
964719122
-1.358
-2.558
2.896
-
表 4中計(jì)算高程值為空的代表該激光點(diǎn)所在區(qū)域地面布設(shè)了角反射器，波形出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。由表 4可以看出，激光點(diǎn)的平面精度在同一天的同一波束內(nèi)具有非常好的一致性，如波束1在7月14日的編號(hào)為959536149和959536153的兩個(gè)激光點(diǎn)平面誤差較差為0.12 m，對(duì)應(yīng)激光指向短時(shí)間的穩(wěn)定精度為0.05″；波束2在7月19日的編號(hào)為964719118和964719122的兩個(gè)激光點(diǎn)平面誤差較差為0.58 m，對(duì)應(yīng)激光指向短時(shí)間的穩(wěn)定精度約0.24″。試驗(yàn)區(qū)波束1的激光點(diǎn)平面絕對(duì)誤差最大為4.861 m，波束2最大為3.489 m，基于地面探測(cè)器統(tǒng)計(jì)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。
2
高程精度評(píng)價(jià)
為評(píng)價(jià)激光點(diǎn)的絕對(duì)高程精度，采用定標(biāo)區(qū)，以及陜西華陰地區(qū)、德國北威州地區(qū)的高分七號(hào)多期實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，高程基準(zhǔn)均統(tǒng)一為WGS-84橢球的大地高。陜西華陰地區(qū)的高程范圍為[299.3 m, 1535.7 m]，平地和山區(qū)基本各占一半；德國北威州驗(yàn)證區(qū)的高程范圍為[73.8 m, 613.2 m]，絕大部分屬于城市平坦地區(qū)，部分屬于丘陵和山區(qū)。其中后兩個(gè)區(qū)域的激光點(diǎn)與定標(biāo)區(qū)在時(shí)間和空間上均有一定距離，更能反映高分七號(hào)激光標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的真實(shí)精度水平。
在外場(chǎng)定標(biāo)區(qū)2020年6月9日、6月14日、6月19日、6月24日分別實(shí)測(cè)了一定數(shù)量的RTK-GPS點(diǎn)，與實(shí)際計(jì)算的高程值的誤差見表 5。波束1和波束2參與統(tǒng)計(jì)的個(gè)數(shù)分別為22個(gè)，精度分別為(0.018±0.099)m，(-0.017±0.096)m。即與定標(biāo)區(qū)時(shí)間和空間臨近的激光點(diǎn)，在坡度小于2°的平坦地區(qū)絕對(duì)高程精度優(yōu)于0.10 m。
表5 臨近定標(biāo)區(qū)的激光點(diǎn)高程驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)
波束1
波束2
點(diǎn)ID
高程
實(shí)測(cè)高程
差值
點(diǎn)ID
高程
實(shí)測(cè)高程
差值
923255253
1 046.068
1 045.932
0.136
923255250
1 053.561
1 053.607
-0.046
923255257
1 043.417
1 043.27
0.147
928438238
1 045.207
1 045.352
-0.145
928438249
1 084.577
1 084.565
0.012
928438242
1 071.722
1 071.717
0.005
928438253
1 092.222
1 092.246
-0.024
928438246
1 079.281
1 079.289
-0.008
928438257
1 091.807
1 091.802
0.005
928438250
1 080.023
1 080.134
-0.111
933621309
1 038.939
1 038.881
0.058
928438254
1 081.505
1 081.655
-0.15
933621313
1 040.678
1 040.655
0.023
928438258
1 088.025
1 088.04
-0.015
933621317
1 040.688
1 040.548
0.14
933621306
1 076.083
1 076.076
0.007
933621321
1 050.721
1 050.577
0.144
933621310
1 074.375
1 074.313
0.062
933621329
1 049.947
1 049.947
0
933621314
1 078.336
1 078.317
0.019
933621333
1 051.517
1 051.624
-0.107
933621318
1 084.569
1 084.551
0.018
933621337
1 067.015
1 066.953
0.062
933621322
1 084.325
1 084.252
0.073
933621341
1 075.025
1 075.043
-0.018
933621330
1 093.745
1 093.766
-0.021
938804341
1 076.333
1 076.309
0.024
933621334
1 092.922
1 092.936
-0.014
938804369
1 086.0
1 085.973
0.027
933621338
1 101.447
1 101.361
0.086
938804377
1 089.915
1 089.9
0.015
933621342
1 109.606
1 109.708
-0.102
938804381
1 088.907
1 088.946
-0.039
933621346
1 118.435
1 118.426
0.009
938804401
1 118.783
1 118.822
-0.039
938804370
1 094.064
1 093.971
0.093
938804405
1 133.557
1 133.629
-0.072
938804394
1 121.145
1 121.061
0.084
938804409
1 136.424
1 136.468
-0.044
938804398
1 125.865
1 125.81
0.055
選擇與內(nèi)蒙古定標(biāo)區(qū)有一定時(shí)間和空間間隔的陜西驗(yàn)證區(qū)開展絕對(duì)精度驗(yàn)證，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為2020年4月26日、5月1日的2662軌和2738軌。點(diǎn)位分布如圖 7所示，針對(duì)激光點(diǎn)的落點(diǎn)位置經(jīng)緯度，以3~5 m間隔往外擴(kuò)20 m左右，利用RTK-GPS采集地面點(diǎn)的三維精確坐標(biāo)，如圖 8所示。波束1共45個(gè)點(diǎn)、波束2共25個(gè)點(diǎn)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(guān)結(jié)果見表 6。表 6中ECP_Flag字段標(biāo)記為1的個(gè)數(shù)均為11個(gè)，精度分別為(0.111±0.152)m、(-0.064±0.115)m；標(biāo)記為2的分別為10個(gè)和5個(gè)，精度分別為(0.246±0.229)m、(0.122±0.269)m。圖7 陜西區(qū)域部分激光高程點(diǎn)分布示意圖8 激光落點(diǎn)與RTK-GPS測(cè)點(diǎn)位置示意
表6 陜西驗(yàn)證區(qū)激光點(diǎn)絕對(duì)高程精度統(tǒng)計(jì)表
激光點(diǎn)可用性標(biāo)記
波束1
波束2
個(gè)數(shù)
占比/(%)
精度/m
個(gè)數(shù)
占比/(%)
精度/m
ECP_Flag=1
11
24.44
0.111±0.152
11
44
-0.064±0.115
ECP_Flag=2
19
42.22
0.246±0.229
5
20
0.122±0.269
ECP_Flag=3
1
2.22
0.487
4
16
0.351±0.448
其他
14
31.10
-0.836±4.532
5
20
0.690±2.476
總點(diǎn)數(shù)
45
-0.113±2.519
25
0.191±1.071
由表 6可以看出，標(biāo)記為1的激光點(diǎn)絕對(duì)高程精度非常高，完全可以作為高程控制點(diǎn)使用；標(biāo)記為2的次之，精度基本在0.3 m以內(nèi)；標(biāo)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(fù)雜區(qū)或信噪比較低的點(diǎn)精度較差，不能作為控制點(diǎn)使用。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，標(biāo)記為1和2的標(biāo)記方法完全可信、精度可靠，可以作為高精度高程控制點(diǎn)使用。
進(jìn)一步地選擇境外德國北威州地區(qū)共5軌高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，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(qū)域激光點(diǎn)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(diǎn)位置，不代表實(shí)際激光光斑大小。圖中部分空白段代表該區(qū)域因云層較厚激光未達(dá)到地面，數(shù)據(jù)無效。參考高程來自于該區(qū)域高精度的機(jī)載LiDAR-DSM數(shù)據(jù)，格網(wǎng)大小為1 m，獲取時(shí)間為2014-2016年，高程基準(zhǔn)為德國采用的DHHN2016，采用EGM2008大地水準(zhǔn)面模型轉(zhuǎn)換為WGS-84橢球的大地高。經(jīng)咨詢國外該數(shù)據(jù)發(fā)布方的專家，高程基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換精度在0.1~0.2 m，綜合考慮LiDAR點(diǎn)云本身的精度，該區(qū)域參考數(shù)據(jù)的絕對(duì)高程精度約0.25 m。該區(qū)域SLA03產(chǎn)品的絕對(duì)高程精度評(píng)價(jià)結(jié)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(biāo)記為1的高程精度分別為(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m，標(biāo)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(nèi)，即ECP_Flag標(biāo)記為1和2的可以作為高程控制點(diǎn)使用。圖9 德國北威州地區(qū)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)分布示意
表7 德國北威州地區(qū)激光點(diǎn)絕對(duì)高程精度統(tǒng)計(jì)
激光點(diǎn)可用性標(biāo)記
波束1
波束2
個(gè)數(shù)
占比/(%)
精度/m
個(gè)數(shù)
占比/(%)
精度/m
ECP_Flag=1
43
38.74
-0.304±0.190
27
23.69
-0.279±0.220
ECP_Flag=2
29
26.13
-0.110±0.454
33
28.95
0.024±0.501
ECP_Flag=3
6
5.40
-0.669±0.832
9
7.89
-0.133±0.676
其他
33
29.73
-2.386±9.989
45
39.47
-0.336±9.929
總點(diǎn)數(shù)
111
-0.897±5.485
114
-0.202±6.207
總結(jié)與展望
本文針對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品處理方法進(jìn)行了研究，并綜合采用定標(biāo)區(qū)以及與定標(biāo)區(qū)有一定時(shí)空差距的陜西、德國等區(qū)域進(jìn)行產(chǎn)品精度驗(yàn)證。
(1) 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)繪處理后，目前高分七號(hào)的激光精度能實(shí)現(xiàn)平地高程優(yōu)于0.15 m的較高水平；其中定標(biāo)區(qū)平面精度優(yōu)于5.0 m，高程優(yōu)于0.10 m。
(2) 驗(yàn)證區(qū)的激光點(diǎn)高程精度隨地形地物影響存在一定差異，其中陜西區(qū)兩個(gè)波束的總體測(cè)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(cè)高精度分別為(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m。
(3) 高分七號(hào)衛(wèi)星兩波束激光經(jīng)質(zhì)量控制后，在陜西華陰驗(yàn)證區(qū)ECP_Flag標(biāo)記為1的激光點(diǎn)高程精度分別為(0.111±0.152)m和(-0.064±0.115)m，德國北威州驗(yàn)證區(qū)ECP_Flag標(biāo)記為1的激光點(diǎn)高程精度分別為(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m。這兩個(gè)區(qū)域標(biāo)記為2的激光點(diǎn)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(zhì)量控制標(biāo)記ECP_Flag，可以將精度優(yōu)于0.5 m能用作高程控制的點(diǎn)進(jìn)行有效識(shí)別，標(biāo)記為1和2的均能用作高程控制點(diǎn)，其中標(biāo)記為1的精度更高，其中陜西華陰驗(yàn)證區(qū)優(yōu)于0.15 m、德國北威州驗(yàn)證區(qū)優(yōu)于0.3 m。
在資源三號(hào)02星試驗(yàn)性激光測(cè)高的基礎(chǔ)上，高分七號(hào)雖然不是專門的激光測(cè)高衛(wèi)星，但其激光測(cè)高載荷作為國內(nèi)首臺(tái)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高儀，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了我國衛(wèi)星激光測(cè)高技術(shù)的重大進(jìn)步。與國外同類型的ICESat/GLAS全波形激光測(cè)高相比，高分七號(hào)激光光斑更小、精度相對(duì)略高，但在激光器硬件水平的重頻率及應(yīng)用場(chǎng)景多樣性方面還有一定差距。此外，高分七號(hào)激光足印影像還存在分辨率偏低、輻射質(zhì)量不穩(wěn)定，在大角度側(cè)擺下幾何精度下降等問題。在肯定進(jìn)步的同時(shí)，我們也需要正視問題，進(jìn)一步創(chuàng)新，深入挖掘國產(chǎn)衛(wèi)星激光測(cè)高的精度潛力、應(yīng)用潛力，同時(shí)要加快推動(dòng)陸海激光衛(wèi)星的預(yù)研攻關(guān)[25-26]，爭(zhēng)取早日發(fā)射國產(chǎn)首顆專業(yè)型號(hào)的激光測(cè)高衛(wèi)星，在測(cè)繪、極地、林業(yè)、水利等多個(gè)行業(yè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。
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引文格式：李國元, 唐新明, 陳繼溢, 等. 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理與精度初步驗(yàn)證[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2021，50(10)：1338-1348. DOI: 10.11947/j.AGCS.2021.20210025