ICESat卫星及其在南极Dome A地区的应用

概述了GLAS高度计的在轨性能，分析了其数据产品的精度。利用高精度的ICESat卫星测高数据，以及第21次中国南极科学考察内陆冰盖考察GPS的实测资料，验证了此次考察中南极内陆冰盖Dome A最高点可能区域选取的正确性，并分析了Dome A最高点位置测定的准确性。     

联合CryoSat-2测高数据和地面高程数据建立东南极拉斯曼丘陵地区DEM

拉斯曼丘陵地区位于东南极伊丽莎白公主地,中国南极中山站位于拉斯曼丘陵的东部,是中国南极科学考察的重要地区。数字高程模型（DEM）是南极冰盖变化研究的基础,卫星测高数据是南极地区构建DEM的主要数据来源。CryoSat-2是新一代用于极地冰盖和海冰监测的测高卫星,联合2013年和2014年南极冬季的CryoSat-2测高数据以及中国、澳大利亚、印度三个国家现场测量的60余个地面高程数据,利用克里金插值方法建立了拉斯曼丘陵地区200 m分辨率的DEM（简称LA-DEM）。利用未参与插值的地面高程数据对新建立的LA-DEM进行了验证,并与Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2 DEM以及BEDMAP 2等四种国际上常用的南极DEM进行比较,结果表明LA-DEM的高程精度约为19.7 m,优于其他4种南极DEM。     

南极冰盖DEM机载测高验证与分析——以西南极Thwaites冰川为例

利用冰桥计划(IceBridge)在西南极Thwaites冰川的机载激光测高数据,对ICESat卫星测高数据和目前国际常用的4种南极DEM,包括Bamber 1km DEM、ICESat DEM、RAMPv2DEM和JLB97DEM的精度进行了验证和分析。结果表明,ICESat卫星测高数据和ICESat DEM有着较高的高程可靠性,其与冰桥计划机载测高数据的平均高程差小于5m,标准差小于15m。Bamber 1km DEM高程可靠性相比ICESat卫星测高数据和ICESat DEM低一些。JLB97DEM、RAMPv2DEM与冰桥计划机载测高数据之间的标准差超过30m,尤其在坡度较大的区域,高程可靠性低。     

多源DEM融合的高差拟合神经网络方法

本文侧重于介绍智能化摄影测量机器学习的高差拟合神经网络方法。观测手段和处理方式等限制导致全球高质量无缝DEM数据的缺乏,进而制约了它在水文、地质、气象及军事等领域的应用。本文提出了一种基于高差拟合神经网络的多源DEM融合方法,尝试融合全球DEM产品SRTM1、ASTER GDEM v2和激光雷达测高数据ICESat GLAS。首先,根据ICESat GLAS的相关参数及与DEM数据的高程差值,结合坡度自适应的思想设置高差阈值对ICESat GLAS进行滤波,剔除异常数据点。然后,以ICESat GLAS数据为控制点,利用神经网络模型拟合ASTER GDEM v2的误差分布。以地形坡度信息和经纬度坐标作为网络输入,ICESat GLAS和ASTER GDEM v2的高程差值作为目标输出,训练得到预测高差,将其与ASTER GDEM v2高程值相加即可获得校正结果。最后,引入TIN差分曲面的方法,利用校正后的ASTER GDEM v2高程值对SRTM1的数据空洞进行填充,融合生成空间无缝DEM。本文通过随机选取数据进行真实试验,对模型进行了精度验证,并给出了处理结果的定量评价和目视效果。结果表明,不论是空洞还是整体区域,本文方法相比其他DEM数据集和其他方法的处理结果都能够在RMSE上表现出优势,同时,本文提出的方法能够有效克服ASTER GDEM中异常值的影响,得到空间无缝DEM。     

基于CryoSat-2测高数据的南极局部地区DEM的建立与精度评定

南极数字高程模型(DEM)是南极冰盖变化研究的基础数据,在我国南极重点考察地区Dome A及中山站至Dome A考察断面,利用新一代测高卫星CryoSat-2,对常用的几种插值方法如反距离加权、克里金、径向基函数、局部多项式和最近邻点插值方法的插值精度进行交叉比较,结果显示克里金插值方法的精度最高。利用中国第21次南极科学考察队采集的GPS数据,对克里金插值方法生成的两个区域的DEM精度进行验证。结果表明,坡度较小的Dome A区域DEM精度较高,平均高差为1.248 m,标准差为0.51 m;坡度较大的中山站至Dome A断面区域DEM精度较低,平均高程差达到3.87 m,标准差为9.358 m。     

基于ICESat/GLAS高度计数据的SRTM数据精度评估——以青藏高原地区为例

为全面了解航天飞机雷达测图计划(shuttle Radar topography mission,SRTM)高程数据的精度及误差特征,利用精度更高的ICESat/GLAS激光高度计数据(简称ICESat高度计数据)为参照数据,以具有多种地貌类型的中国青藏高原地区为实验区,采用双线性插值算法分析了SRTM在中国青藏高原地区的高程精度,以及SRTM高程数据与地形因子(坡度和坡向)间的关系。实验结果表明:在青藏高原地区,ICESat高度计数据与相对应的SRTM高程数据高度相关,相关系数高达0.999 8;SRTM的系统误差为2.36±16.48 m,中误差(RMSE)为16.65 m;当坡度低于25°时,SRTM高程数据精度随坡度增大而显著降低。此外,相对于ICESat高度计数据,SRTM在青藏高原地区N,NW和NE方向的测量值偏高,在S,SE和SW方向的测量值偏低。     

ASTER GDEM V2的南极冰川高程误差校正及精度分析

ASTER GDEM V2是研究南极冰盖表面的一种重要DEM数据源。由于南极冰雪区反射率高且缺乏地形特征，导致ASTER GDEM V2存在大量的坑、隆起等噪声，难以直接用于南极地形分析。本文以ICESat/GLAS激光点高程数据作为参考，采用修正等高线法对南极伯德（Byrd）冰川ASTER GDEM V2进行了误差校正，并将其与ICESat-1 DEM的垂直精度进行了对比分析。结果表明：ASTER GDEM V2的RMSE由校正前的26.56 m下降到校正后的18.77 m，远低于ICESat-1 DEM的RMSE（121.24 m）；校正后的ASTER GDEM V2高程精度受坡度影响较小，不存在明显的系统误差，而ICESat-1 DEM的高程精度受坡度的影响较大。本研究进一步通过地形剖面分析得到：校正前的ASTER GDEM V2噪声主要分布于高程较低、地形平坦的区域，通过修正等高线的方法可以有效去除这些噪声，去除噪声后的ASTER GDEM V2可作为研究伯德冰川理想的DEM数据源。     

ICESAT卫星确定南极冰盖高程模型研究

研究了星载激光测高的理论和技术,利用ICESAT测高数据确定了南极冰盖高程模型.将ICESAT测高数据与南极实测GPS数据进行比较,结果显示ICESAT数据能够很好地确定南极冰盖高程模型.     

基于交叉点不符值的ICESat冰盖测高精度估计

凭借地面光斑小、分辨率高等特点,ICESat卫星激光测高数据在两极冰盖的研究中得到了广泛的应用。为了确定ICESat在冰面上的测高能力,本文利用格陵兰地区的ICESat交叉点不符值对其在冰盖表面的观测值精度进行了估计;并在充分考虑冰盖时变影响的条件下对交叉点不符值进行了统计。结果表明,其观测精度与地表反射面的坡度存在明显的线性关系,特别是在坡度小于1°的条件下,其相关性高达0.985。进一步考虑地表起伏对于高程内插的影响以后,得到理想环境下ICESat在冰面上的单点测高精度约为±6.4 cm。     

利用Envisat数据探测中山站至Dome A条带区域冰盖高程变化

在中山站至Dome A条带区域,利用2002-10～2007-09的Envisat RA2数据,对交叉点分析中的单一法、静态法与动态法进行了比较,结果表明:①动态参考算法优于其他两种算法;②反射能量是影响卫星测高确定冰盖高程变化的重要因素;③研究区域冰盖高程长期变化整体处于平衡,但其分布不均匀,恩德比地地区存在明显正增长,与ICESat一致。     

卫星激光测高严密几何模型构建及精度初步验证

采用星载激光测高仪辅助提高卫星立体影像几何定位精度特别是高程精度,已经得到了航天摄影测量界的重视,计划于2018年发射的高分七号卫星上将同时搭载光学立体相机和激光测高仪。虽然,已有相关文献针对美国的ICESat(Ice,Cloud,and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球科学激光测高系统(Geo-science Laser Altimeter System,GLAS)的几何模型和产品精度作了相关介绍,但对其严密的几何定位模型和精度验证目前还没有系统性的阐述。本文较全面地对激光测高卫星的严密几何模型进行了构建与精度分析,并选择ICESat/GLAS的0级辅助文件,采用严密几何模型重现了2级产品的生产过程。将本文计算的结果与ICESat/GLAS的结果进行了对比分析,其中基于几何模型的高程误差约11 cm,平面误差在3 cm以内,表明所提出的严密几何模型的正确性,同时采用新发射的资源三号02星的激光测高数据进行了初步处理和验证。相关结论可为国产高分后续卫星的激光测高数据处理提供参考。     

多准则约束的ICESat/GLAS高程控制点筛选

激光测高卫星在获取全球高程控制点方面具有独特的优势,本文针对ICESat(Ice,Cloud and land Elevation Satellite)卫星上搭载的地球激光测高系统GLAS(Geo-science Laser Altimetry System),提出了一种多准则约束的高程控制点筛选算法。算法综合利用全球公开版的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM数据对GLAS进行粗差剔除,然后利用GLA14产品中的云量、姿态质量标记、饱和度参数、增益参数等多种与测距有关的属性参数进行粗粒度的筛选,保留受云层、大气、地表反射率等影响较小的激光足印点,最后结合GLA01的波形特征参数做进一步精细筛选,提取出高精度的激光点作为高程控制点。本文还采用天津、河北两个实验区的数据,利用高精度的DEM成果数据对筛选的结果进行了验证。实验结果表明,经多准则约束筛选后的激光足印点具有很高的高程精度,能够作为1∶50000甚至1∶10000立体测图时的高程控制点使用,研究结论可为国产高分辨率卫星在境外地区进行无地面控制点的立体测图提供参考。     

Digital elevation model of King Edward VII Peninsula, West Antarctica, from SAR interferometry and ICESat laser altimetry

We present a digital elevation model (DEM) of King Edward VII Peninsula, Sulzberger Bay, West Antarctica, developed using 12 European Remote Sensing (ERS) synthetic aperture radar (SAR) scenes and 24 Ice, Cloud, and land Elevation Satellite (ICESat) laser altimetry profiles. We employ differential interferograms from the ERS tandem mission SAR scenes acquired in the austral fall of 1996, and four selected ICESat laser altimetry profiles acquired in the austral fall of 2004, as ground control points (GCPs) to construct an improved geocentric 60-m resolution DEM over the grounded ice region. We then extend the DEM to include two ice shelves using ICESat profiles via Kriging. Twenty additional ICESat profiles acquired in 2003-2004 are used to assess the accuracy of the DEM. After accounting for radar penetration depth and predicted surface changes, including effects due to ice mass balance, solid Earth tides, and glacial isostatic adjustment, in part to account for the eight-year data acquisition discrepancy, the resulting difference between the DEM and ICESat profiles is -0.57/spl plusmn/5.88 m. After removing the discrepancy between the DEM and ICESat profiles for a final combined DEM using a bicubic spline, the overall difference is 0.05/spl plusmn/1.35 m.     

Fusion of high-resolution DEMs derived from COSMO-SkyMed and TerraSAR-X InSAR datasets

Voids caused by shadow, layover, and decorrelation usually occur in digital elevation models (DEMs) of mountainous areas that are derived from interferometric synthetic aperture radar (InSAR) datasets. The presence of voids degrades the quality and usability of the DEMs. Thus, void removal is considered as an integral part of the DEM production using InSAR data. The fusion of multiple DEMs has been widely recognized as a promising way for the void removal. Because the vertical accuracy of multiple DEMs can be different, the selection of optimum weights becomes a key problem in the fusion and is studied in this article. As a showcase, two high-resolution InSAR DEMs near Mt. Qilian in northwest China are created and then merged. The two pairs of InSAR data were acquired by TerraSAR-X from an ascending orbit and COSMO-SkyMed from a descending orbit. A maximum likelihood fusion scheme with the weights optimally determined by the height of ambiguity and the variance of phase noise is adopted to syncretize the two DEMs in our study. The fused DEM has a fine spatial resolution of 10 m and depicts the landform of the study area well. The percentage of void cells in the fused DEM is only 0.13 %, while 6.9 and 5.7 % of the cells in the COSMO-SkyMed DEM and the TerraSAR-X DEM are originally voids. Using the ICESat/GLAS elevation data and the Chinese national DEM of scale 1:50,000 as references, we evaluate vertical accuracy levels of the fused DEM as well as the original InSAR DEMs. The results show that substantial improvements could be achieved by DEM fusion after atmospheric phase screen removal. The quality of fused DEM can even meet the high-resolution terrain information (HRTI) standard.     

Laser pointing angle and time of measurement verification of the ICESat laser altimeter using a ground-based electro-optical detection system

The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite (ICESat) will begin science operations in 2003 with an emphasis on determination of the ice sheet temporal variations in the Arctic and Antarctic regions. The ICESat bus will serve as the transport for an instrument called the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS). GLAS will provide altimetry and lidar measurements with a high level of accuracy. For altimetry, the GLAS data will enable determination of the laser pointing angle to within 1.5 arcsec and the laser pulse time of arrival on the ground to within 100 sec. Both of these data products contribute to the determination of the measured altitude vector from the spacecraft to the ice surface. Verification of both the laser pointing angle and the timing can be achieved by using a unique experimental technique designed to capture an altimeter pulse on the surface of the Earth. The capture of the laser pulse is accomplished by covering the illuminated area with devices designed to detect the arrival of energy within the altimeter footprint. This ground-based technique will supply an independent, unambiguous determination of the laser footprint geolocation and the epoch time associated with the arrival of the pulse on the surface. Knowledge of the laser footprint centroid on the ground will infer the laser pointing direction in the geocentric reference frame. This in situ measurement of the footprint geolocation and time of arrival will be compared to the corresponding data products provided by GLAS. The comparison of the GLAS laser pointing and the timing data with an independent measurement will verify the accuracy and/or will indicate the existence of any biases or errors in the generation of the GLAS altimetry data products. The detectors have been designed and tested in the laboratory and analyzed for energy level thresholds, system stability, temperature response and overall performance. Timing hardware has been tested and software has been written to achieve event detection within the desired accuracy.     

大光斑波形数据在土地覆盖分类的适用性分析

针对GLAS地学激光测高系统是冰、云和陆地高程卫星(ICESat)的唯一监测工具,能够记录地表光斑内的地物信息,是否能应用于黄土高原土地覆盖分类的问题进行了研究。利用粒子群和最小二乘法相结合的方法对GLAS波形数据进行高斯分解,获取高斯波个数、波形总能量、波形信号起始和信号结束位置4个波形参数;基于波形自动分类方法对黄土高原水体、森林、城市用地、其他地类(裸地、低矮植被等)进行分类。通过基于覆盖相同研究区域的30 m地表覆盖数据(Globe Land30),验证分类的准确性。结果表明,GLAS大光斑波形数据对黄土高原的4种地类能够很好地进行区分,总分类精度高达87.68%,Kappa系数为65.79%。研究表明,GLAS波形数据可以作为获取土地覆盖信息的有效数据源,为研究黄土高原土地覆盖变化提供更丰富的数据支持。