高分七号卫星立体影像与激光测高数据联合区域网平差

提高稀少甚至无地面控制点的区域网平差精度,是实现境外和外业测控困难区域高精度测图的核心问题之一,也是主要的技术难点。为了充分利用高分七号激光测高数据与立体影像同步获取、相对精度较高、高程精度极高的特点,充分发挥足印影像作用,提出了一种激光测高数据辅助的高分七号卫星立体影像区域网平差方法。通过足印影像实现了激光高程控制点在立体影像上的自动量测,利用其极高的高程精度对区域网立体影像进行高程控制,经过联合区域网平差实现区域网影像高程精度提升。通过覆盖不同地形类型的山东测区激光测高数据与立体影像联合平差实验表明,仅使用激光测高数据作为高程控制,实验区高程中误差可由原始7.97 m提高到0.79 m,高程最大误差优于1.5 m,高程精度改善明显。     

资源三号02星激光测高精度分析与验证

资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。资源三号02星激光测高仪在平坦地区(坡度≤2°)的理论高程精度为0.85m、平面精度14.2m。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。虽然资源三号02星激光测高仪为试验性载荷,但试验结果证实国产卫星激光测高数据能有效提高立体影像无地面控制的高程精度,在全球测图工程中具有推广应用价值,建议后续立体测图卫星搭载业务化应用的激光测高仪。     

ICESat-2/ATLAS全球高程控制点提取与分析

ICEsat-2/ATLAS是目前高程精度最高的星载激光数据,其数据覆盖全球,能够作为生产高精度全球地面参考高程的基础数据。基于ICESat-2/ATLAS全球激光数据产品ATL08,获取了全球ICESat-2陆地高程点,研究了基于参考高程数据和属性参数提取全球高程控制点的方法,并利用高精度参考高程数据验证了其精度。利用山东试验场和河南试验场30 cm高程精度的机载激光数据对所获取的激光点进行了验证,得到的均方根误差分别为1.11 m、1.39 m;经过参考DEM(digital elevation model)和属性参数限制筛选后的高程控制点的均方根误差分别为0.69 m、0.57 m,数据保留率分别为61.38%、60.00%,证明了该提取方法能够在保证数据保留率的同时有效提高高程精度。所提出的方法能够自动提取点位密度大、精度高的全球高程控制点数据,为国产高分辨率卫星进行无地面或少地面控制点的立体测绘和产品质量检验提供数据支持。     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星(ZY-3 02)作为资源三号系列的第2颗卫星,于2016年5月30号成功发射,其主要服务于中国空间基础建设等重大工程,星上搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。高程精度作为立体测图的重要指标,达到其精度要求的困难程度远大于平面。在借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及ZY-3 02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;然后,将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

激光测高数据辅助卫星成像几何模型精化处理

资源三号02星搭载了中国首个对地观测试验性激光测高载荷。借鉴目前较成熟的卫星影像区域网平差理论的基础上,结合近年来激光测高数据精度的大幅提升以及资源三号02星激光测高数据的特点,首次提出了激光测高数据辅助卫星立体影像进行成像几何模型精化处理的通用理论。首先,利用传统的区域网平差算法对所处理影像进行高精度连接点匹配处理,并对其进行无约束的自由网平差处理,获得高精度相对精度及不亚于原始成像几何模型的绝对精度;其次,根据激光测高数据3维坐标和精化后参考影像成像几何模型获取激光数据参考影像坐标;而后将参考影像坐标通过几何模型映射获取目标影像上待匹配影像坐标,通过连接点匹配算法,对待匹配目标影像坐标进行精化获取高精度像方同名点;最后,以同名点作为高程控制进行区域网平差计算,对影像成像几何模型进一步处理,获取高精度补偿参数。通过湖北、青海两测区的试验,以激光测高数据辅助卫星影像几何模型精化精度可分别达到1.97 m、3.23 m,结果表明本文提出的方法可有效提高卫星立体数据测图精度。     

激光测高卫星ICESat-2监测太湖水位精度评价

针对ICESat-2卫星激光测高数据监测陆地湖泊水位精度问题,该文以太湖为例结合水位站实测数据评价ICESat-2/ATL13湖泊水位测高精度.根据湖泊矢量边界提取湖泊激光足印点;采用中位数绝对偏差方法剔除沿轨湖泊高程异常值,得到沿轨有效激光高程点并求其均值作为沿轨湖泊水位值;基于ATL13数据分析太湖水位变化.实验结果表明:ATL13湖泊水位相对测高精度优于3 cm,绝对测高精度优于6 cm;ATL13测高水位与太湖实测水位月变化趋势基本一致,两者相关性较高,相关系数达0.96以上.     

资源三号02星激光测高误差分析与指向角粗标定

2016年5月30日,中国成功发射了民用三线阵立体测图卫星资源三号02星,该卫星搭载了中国第一个用于对地观测的激光测高试验性载荷。资源三号02星在轨运行以来获取了多轨测高数据,为保证其测高数据的有效应用,需分析影响测高精度的各项误差来源,并通过一定的方法予以消除或减弱。首先根据卫星激光测高严密几何模型分析资源三号02星激光测高的各项误差来源,分析表明激光指向角对激光测高精度的影响相对较大;构建通过已有大范围地形数据进行激光指向角粗标定的数学模型,并利用已有公开地形数据（AW3D30 DSM）对激光指向角进行粗标定,从而提高激光足印定位精度。实验结果表明,利用已有地形数据对指向角进行粗标定后,能将激光测高精度从几十米提高到3 m以内,验证了卫星激光测高误差分析的合理性和利用已有地形数据修正激光指向角的数学模型的有效性,为消除卫星激光测高粗差提供了参考,能为星载激光测高外场在轨检校工作提供支撑。     

期刊博览

正资源三号02星激光测高精度分析与验证《测绘学报》2017年第12期资源三号02星搭载了我国首台对地观测的卫星激光测高试验性载荷,对该载荷的精度进行了理论分析,并采用多个区域进行了实际精度验证,同时对其在航天测绘中的应用进行了试验。试验表明,资源三号02星激光测高仪获得的有效测高数据约占23.89%,检校场区域其高程精度为0.89m,平面精度为14.76m;华北地区高精度DSM地形数据验证其高程精度为1.09m,内陆渤海海面上的激光高程精度为0.47m。将激光足印点作为高程控制点时,在陕西渭南试验区能将资源三号02星立体影像无地面控制的高程精度从11.54m提高到1.90m。     

南极查尔斯王子山脉1∶50000基础地理信息获取方法

南极查尔斯王子山脉实地科学考察的顺利开展需要该区域1∶50 000基础地理信息数据作为支撑。国产高分辨率资源三号立体影像为基础地理信息数据的获取提供了必要的遥感数据支持。充分利用资源三号立体数据,在冰、云和陆地高程卫星(the ice,cloud,and land elevation satellite,ICESat)上的地学激光测高系统(Geoscience Laser Altimeter System,GLAS)等多源遥感信息的辅助下,制作了南极查尔斯王子山脉1∶50 000基础地理信息成果,并对其进行了精度分析。分析结果表明,数字高程模型(DEM)的高程精度优于5.31m,数字正射影像图(DOM)成果与南极洲陆地卫星影像镶嵌图比较的较差中误差为16.30m。因此,在南极地区利用资源三号立体数据集成各种遥感数据制作1∶50 000基础地理信息成果是高效实用的。     

高分七号卫星激光测高数据处理与精度初步验证

装备在高分七号卫星上的是我国首个具备全波形记录功能的激光测高仪,主要用于获取地面稀疏的高程控制点,提高了同平台立体影像无地面控制点的立体测图精度.高分七号卫星激光测高标准化处理是测绘应用的关键步骤,所生成的激光测高标准产品是后续对外分发和业务化应用的重要前提.本文围绕高分七号卫星的激光数据,研究了激光测高数据处理方法,验证了激光测高标准产品的几何精度.选择几何定标区以及陕西华阴、德国北威州等多个验证区,结合高精度外业测量点和机载LiDAR-DSM数据,对高分七号卫星激光测高标准产品开展精度验证.验证结果表明,高分七号SLA03产品定标区两波束激光的平面精度分别为(3.896±1.029)m和(3.286±0.337)m、高程精度分别为(0.018±0.099)m和(-0.017±0.096)m.采用高程控制点质量控制参数ECP_Fl a g能有效标识出可用于高程控制的激光点,其中陕西华阴验证区两波束激光总体精度分别为(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m,经质量控制后ECP_Fl a g标记为1的激光点高程精度为(0.111±0.152)m和(-0.064±0.115)m;德国北威州总体精度为(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m,ECP_Flag标记为1的激光点高程精度为(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m.目前高分七号卫星激光测高标准产品已在自然资源部国土卫星遥感应用中心实现业务化生产.     

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。     

Cartosat-1 height product and ICESat/GLAS data for digital elevation surface generation

Space born systems like Geoscience Laser Altimeter System (GLAS) onboard collect data for ice, cloud and Land. Elevation satellite (ICESat) collects an unparalleled data set as waveform over terrestrial targets, helps in evaluating the global elevation data. In this study we compared the Digital Elevation Surface (DES) generated by Cartosat-1 point data and DES generated by merging the Cartosat-1 data with ICESat data. Outputs in the form of interpolated surfaces were evaluated with the help of differential global positioning system (DGPS) points collected from study area. The study showed the results that the DES generated from Cartosat — 1 data had less elevation accuracy when compared with the DGPS data. While merging Cartosat-1 point height data with ICESat/GLAS data resulted in better accuracy. On the practical side for processing the interpolation, based on the research the ICESat /GLAS with Cartosat-1 height data can produce better DES compared to the Cartosat-1 stereo data. The DES was generated using geostatistical interpolation methods in which the global polynomial method proved to be the better for generating the surface compare to other interpolation techniques studied in this work. For co-kriging method, the accuracy decreases compare to the kriging interpolation, due to the complexity of parameters that were used for interpolation. On the theory side, based on this research the statement of which interpolation technique is better than the other cannot be mentioned easily, because these are based on the data type, parameters and also on method of interpolation. So research experiment should be more intensely and with more focused.     

ICESat激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差

无地面控制点（简称无控）区域网平差是实现卫星影像无控测图的一项重要技术,对于境外和外业测控困难区域的测图具有重要意义。然而,无控区域网平差的定位精度一般难以满足对应比例尺测图规范要求。利用公开、可稳定获取的公众地理信息数据辅助区域网平差,是提高卫星影像无控定位精度的有效途径,其中ICESat激光高程点便是一种良好的高程控制数据。为了提高天绘一号卫星影像无控定位精度,本文提出ICESat激光高程点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法。首先,以30 m分辨率SRTM估算的地形坡度作为限制条件,结合激光高程点自身质量评价信息,自动提取高质量ICESat激光高程点;其次,利用自动匹配的连接点进行模型法自由网平差,实现卫星影像几何定位精度的相对一致性（内部一致性）;最后,将激光高程点自动量测至卫星影像作为控制点,其平面坐标根据自由网平差结果前方交会计算而得,高程坐标取自激光点高程,再次进行区域网平差精化定向参数,提高卫星影像的绝对高程精度。最后本文利用山东全省的天绘一号卫星影像进行试验,验证了本文方法的有效性和可行性。     

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。     

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.     

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。     

基于星载激光雷达和雷达高度计数据的南极冰盖表面高程制图

南极数字高程模型DEMs(Digital Elevation Models)是研究极区大气环流模式,南极冰盖动态变化和南极科学考察非常重要的基础数据。目前,科学家已经发布了五种不同的南极数字表面高程模型。这些数据都是由卫星雷达高度计,激光雷达和部分地面实测数据等制作而成。尽管如此,由于海洋与冰盖交接的南极冰盖边缘区随时间的快速变化,有必要根据新的卫星数据及时更新南极冰盖表面高程数据。因此,我们利用雷达高度计数据(Envisat RA-2)和激光雷达数据(ICESat/GLAS)制作了最新的南极冰盖高程数据。为提高ICESat/GLAS数据的精度,本文采用了五种不同的质量控制指标对GLAS数据进行处理,滤除了8.36%的不合格数据。这五种质量控制指标分别针对卫星定位误差、大气前向散射、饱和度及云的影响。同时,对Envisat RA-2数据进行干湿对流层纠正、电离层纠正、固体潮汐纠正和极潮纠正。针对两种不同的测高数据,提出了一种基于Envisat RA-2和GLAS数据光斑脚印几何相交的高程相对纠正方法,即通过分析GLAS脚印点与Envisat RA-2数据中心点重叠的点对,建立这些相交点对的高度差(GLAS-RA-2)与表征地形起伏的粗糙度之间的相关关系,对具有稳定相关关系的点对进行Envisat RA-2数据的相对纠正。通过分析南极冰盖不同区域的测高点密度,确定最终DEM的分辨率为1000 m。考虑到南极普里兹湾和内陆地区的差异性,将南极冰盖分为16个区,利用半方差分析确定最佳插值模型和参数,采用克吕金插值方法生成了1000 m分辨率的南极冰盖高程数据。利用两种机载激光雷达数据和我国多次南极科考实测的GPS数据对新的南极DEM进行了验证。结果显示,新的DEM与实测数据的差值范围为3.21—27.84 m,其误差分布与坡度密切关系。与国际上发布的南极DEM数据相比,新的DEM在坡度较大地区和快速变化的冰盖边缘地区精度有较大改进。     

Vertical accuracy assessment of freely available digital elevation models over low-lying coastal plains

The frequency of coastal flood damages is expected to increase significantly during the twenty-first century as sea level rises in the coastal floodplain. Coastal digital elevation model (DEM) data describing coastal topography are essential for assessing future flood-related damages and understanding the impacts of sea-level rise. The Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) and Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer Global Digital Elevation Model (ASTER GDEM) are currently the most accurate and freely available DEM data. However, an accuracy assessment specifically targeted at DEMs over low elevation coastal plains is lacking. The present study focuses on these areas to assess the vertical accuracy of SRTM and ASTER GDEM using Ice, Cloud, and land Elevation Satellite, Geoscience Laser Altimeter System (ICESat/GLAS) and Real Time Kinematic (RTK) Global Positioning System (GPS) field survey data. The findings show that DEM accuracy is much better than the mission specifications over coastal plains. In addition, optical remote sensing image analysis further reveals the relationship between DEM vertical accuracy and land cover in these areas. This study provides a systematic approach to assess the accuracy of DEMs in coastal zones, and the results highlight the limitations and potential of these DEMs in coastal applications.     

激光测高卫星波形饱和识别与测高误差改正初步研究

激光测高仪回波波形饱和现象客观存在,为增加可用激光点数目、提高饱和波形测高精度,本文提出了一种波形饱和识别与测高误差改正方法,首先,利用回波波形峰度系数对饱和波形进行识别,然后,针对饱和现象对波形高斯拟合的影响,计算高斯拟合波形与原始波形相交区域的形心位置,以形心位置差异确定因波形饱和导致的测高误差并改正。最后,采用ICESat/GLAS（Ice,Cloud and land Elevation Satellite/Geo-science Laser Altimeter System）在青海湖、纳木错、色林错采集的波形数据进行实验。结果表明,经本文算法改正后数据误差均值为0.03 m,大型湖泊区域可实现约0.05 m的测高精度,结合峰度的饱和识别方法可以对波形进行有效筛选,可发现GLAS遗漏的饱和波形,饱和改正算法可以有效改正波形饱和引起的测高误差,改正后精度明显优于GLAS提供的饱和改正结果,相关结论对高分七号卫星激光波形处理有一定参考价值。     

Assessment of terrain elevation derived from satellite laser altimetry over mountainous forest areas using airborne lidar data

Gaussian decomposition has been used to extract terrain elevation from waveforms of the satellite lidar GLAS (Geoscience Laser Altimeter System), on board ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite). The common assumption is that one of the extracted Gaussian peaks, especially the lowest one, corresponds to the ground. However, Gaussian decomposition is usually complicated due to the broadened signals from both terrain and objects above over sloped areas. It is a critical and pressing research issue to quantify and understand the correspondence between Gaussian peaks and ground elevation. This study uses ～2000 km² airborne lidar data to assess the lowest two GLAS Gaussian peaks for terrain elevation estimation over mountainous forest areas in North Carolina. Airborne lidar data were used to extract not only ground elevation, but also terrain and canopy features such as slope and canopy height. Based on the analysis of a total of ～500 GLAS shots, it was found that (1) the lowest peak tends to underestimate ground elevation; terrain steepness (slope) and canopy height have the highest correlation with the underestimation, (2) the second to the lowest peak is, on average, closer to the ground elevation over mountainous forest areas, and (3) the stronger peak among the lowest two is closest to the ground for both open terrain and mountainous forest areas. It is expected that this assessment will shed light on future algorithm improvements and/or better use of the GLAS products for terrain elevation estimation.