高分七号星载激光定位模型构建与验证

高分七号卫星是中国第一颗搭载全波形激光测高仪的对地观测卫星，可满足立体测绘的需求。本文为了实现国内第一颗星载大光斑全波形激光测高仪数据高精度自主处理的要求，提出了高分七号星载激光定位和检校验证方法。首先，构建了高分七号卫星激光测高仪的严密几何定位模型，其次，使用了移动重心和波形分解的峰值提取法，然后实现了基于地形匹配与红外探测器结合的激光测高仪指向角标定，最后，建立了SRTM高程验证、湖面高程验证和野外定标场验证结合的激光测高仪综合高程验证方法。经验证激光测高数据在平地的测高精度优于0.15 m，激光器1指向角误差约为0.15″，激光器2指向角误差约为0.38″。结果表明本文提出的高分七号星载激光定位方法定位精度高，可以满足后续高分七号数据科学研究和大规模业务化应用的要求。     

高分七号卫星激光测高仪无场几何定标法

无场几何定标是未来多波束激光测高卫星面临的一个关键问题。本文针对高分七号（GF-7）线性体制全波形激光测高仪,提出了一种基于地形和波形匹配的无场分步定标方法。在深入分析高分七号卫星激光测高仪特点的基础上,构建了严密几何定位模型,采用公开版的地形参考数据和某地区1∶2000高精度的DOM和LiDAR-DSM基础地理信息成果,开展了在轨无场几何定标试验,显著提高了高分七号卫星激光测高数据精度。在2020年上半年受新冠肺炎影响未进行外场定标期间,有效解决了激光测高数据处理无定标参数的实际困难。本文对无场定标结果与高分七号实际外场定标结果进行对比验证,结果表明,无场定标结果与实际落点位置的平面误差为11.597±3.693 m,最小值为7.115 m,平坦地区高程精度优于0.3 m,虽然略低于外场定标结果,但能满足1∶10 000高程控制点测量需求。     

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.     

高分七号卫星双波束激光测高仪在轨几何检校与试验验证

高分七号卫星装载了国内首台双波束对地观测激光测高仪,用于辅助两线阵光学相机实现1:1万立体测图.由于卫星发射时的振动及入轨后空间环境变化,激光测高仪在轨指向等参数相对于实验室标定值发生较大偏移,直接影响激光测高精度.针对高分七号双波束激光测高仪,本文提出了由粗到精的"两步法"在轨几何检校方案.首先,构建单波束激光在轨几何检校模型,基于特殊波形分析来估算激光足印落点位置信息,实现单波束激光指向粗检校;然后,以单波束激光在轨几何检校模型为基础,构建双波束激光在轨几何检校模型,在大气延迟改正、潮汐改正等基础上,采用地面探测器阵列捕获光斑,实现双波束激光指向测距联合检校.最后,采用平静湖面上的激光测高数据和地面控制数据,分别验证激光检校后相对和绝对高程测量精度.试验结果表明:高分七号卫星激光高程测量相对精度优于0.06 m(1σ),平坦地区的绝对测高精度达到0.10m(1σ).     

高分七号卫星正式投入使用

正用。高分七号卫星的投入使用有效提高了我国高分辨率遥感立体观测能力,将有效服务于我国1∶1万立体测图生产及更大比例尺基础地理信息产品的更新,服务于自然资源三维立体调查监测。高分七号卫星于2015年批复立项,是我国首颗亚米级分辨率光学立体测图卫星,是国家高分辨率对地观测系统重大专项的重要组成部分。2019年11月3日,高分七号在太原成功发射。2019年11月～2020年7月,各用户部门、卫星测控和研制单位密切配合,全面测试了卫星系统、测控系统、地面系统、应用系统。在轨测试结果表明,卫星工作稳定,星地系统工作正常、匹配良好,实现了1∶1万比例尺立体测图工程目标;与国外高水平遥感卫星相比,高分七号影像的定位精度相当,激光测高精度优异,三维立体数据获取效率更高,应用更广。高分七号卫星的投入使用,将有效改善我国高分辨率卫星影像不足的局面。同时,高分七号将与在轨运行的资源三号01、02星及今年7月发射的资源三号03星组网,实现4颗卫星组网运行,全球立体数据获取能力和水平将大幅提升。高分七号每天可获取25万平方公里的立体影像数据。     

全波形星载激光测距误差抑制的滑动窗口高斯拟合算法

星载激光测距精度是影响激光测高仪几何检校与处理精度的主要来源之一.针对由全波形星载激光模拟信号经数字化处理后的量化误差带来的激光测距提取精度不高、稳定性低的问题,本文提出一种全波形星载激光测距误差抑制的滑动窗口高斯拟合算法.该方法利用滑动窗口剔除波峰附近似噪声点,并基于高斯曲线拟合优化波形峰值,从而精化激光测距值.然后以高分七号国产星载激光测高仪为试验对象,利用冰面、内陆湖面和平坦陆地地表进行激光高程相对和绝对精度对比验证.结果表明,相对于一般峰值方法,本文算法使得激光测距精度提升了7.5 cm;基于本文方法提取的测距值,计算的激光高程相对精度提升4.2 cm;利用机载LiDAR点云数据验证,高程绝对精度提升了4.5 cm;充分说明本文方法可作为有效减少星载激光测距随机误差的一种方法,为高分七号卫星亚米级高程测量精度处理提供了不可或缺的基础.     

高分七号卫星在地形级实景三维建设中的应用研究

当前,以无人机航测、激光雷达、倾斜摄影及移动测量等方式获取的数据已广泛应用于实景三维中国建设工作。高分七号卫星影像数据作为我国首颗亚米级分辨率光学立体测图卫星,具有高分辨率、高精度等优势。本文通过分析评价不同控制模式下高分七号立体卫星影像区域网平差精度并开展地形数据生产关键技术研究,论证高分七号立体卫星影像在地形级实景三维建设中的可用性,为利用高分七号立体卫星影像开展地形数据生产提供技术方案及技术支撑。     

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。     

高分七号卫星足印影像激光光斑质心提取方法

足印影像激光光斑质心提取是精确获取激光指向位置的基础,对于提升高分七号卫星激光测高数据精度具有重要意义.设计一种基于最小二乘椭圆拟合的激光光斑提取方法,并根据反馈结果利用累计矩阵对序列影像进行粗差剔除,实现了高分七号足印影像激光光斑提取.通过仿真数据和高分七号真实足印影像进行实验,验证了该方法具有较好准确性和稳定性.未来我国在星载激光测高领域将拥有更广阔的前景,所研究的相关成果可以为后续国产激光测高技术研究提供参考.     

顾及陆湖反射差异的卫星测高监测湖泊水位的波形分析与重定

以Jason-2卫星雷达测高数据监测洪泽湖水位为例,分析了湖泊水位沿卫星轨迹呈"V"字形分布的原因。分析发现：由于湖泊面积相对较小,受陆地影响,测高波形中陆地反射信号占主导地位,水面反射产生的上升前缘非常小,导致波形跟踪出错。解释了波形形成的机制、造成水位计算错误的原因,结合遥感影像证明了解释的正确性,并给出了相应的波形重定算法。结果表明,该重定算法优于常用的波形重定算法,剔除异常值后水位标准差为0.09 m,为湖泊区域的测高数据处理提供了一种参考。     

资源三号02星激光测高数据质量分析

近几年来,中国的对地观测卫星激光测高技术发展较快,资源三号02星上搭载了国内首台对地观测的卫星激光测高试验载荷,在后续的高分七号、陆地生态系统碳监测卫星上均装备业务化应用的激光测高仪,开展国产对地观测卫星激光测高数据质量分析研究非常必要,能有效填补国内空白并推动相关技术发展。本文对资源三号02星载荷的激光测高数据进行了严密几何处理,重点从夜间观测、卫星小角度侧摆、海面区域等不同条件下的数据质量进行了分析,对数据的平均可用率进行了统计分析。试验表明,资源三号02星激光测高仪能获得约30%有效测高数据,在夜间数据有效利用率略有提高,在大型水面也能获得有效数据,经后处理后在平坦地区验证的绝对高程精度优于1.0 m,部分点高程精度优于0.5 m,硬件本身的测距精度和卫星姿态测量误差是主要的误差源。相关结论对于后续国产卫星激光测高载荷的研制以及数据后处理和应用具有参考价值。     

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。     

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。     

基于激光测高数据的丹江口水库水位变化监测

针对多源星载激光测高数据监测湖泊水位变化问题,该文选取2003—2009年ICESat/GLAH14全球地表高程数据、2018年10月—2019年8月的ICESat-2/ATL13全球内陆水体高程数据,提取丹江口水库多期水位变化数据,最后利用水位站实测水位对其准确度进行了验证,并分析了丹江口水库年度水位变化规律。结果表明,丹江口水库水位呈现明显的季节性变化,每年11月达到较高水位,3月降至较低水位;由ICESat/GLAH14数据估算水库水位的精度为16 cm,ICESat-2/ATL13数据集估算水库水位的精度达到10 cm。因此,ICESat-2/ATL13数据用于内陆水体水位变化监测具有很高的可行性。     

基于星载激光雷达的高原堰塞湖水文要素反演与变化特征分析

针对帕米尔高原堰塞湖——萨雷兹湖的安全问题及水文站点资料获取困难,缺乏时段固定、精度统一的准实时湖泊水位信息等问题,本文提出了基于星载激光雷达测高数据（ICESat-1/2）的高原湖泊水位综合反演。开展了近20年（2003—2019年）的水位变化遥感调查和时序重建研究,并采用趋势分析和Mann Kendall （M-K）非参数检验,对近20年萨雷兹湖的水位变化特征进行过程分析,初步揭示了萨雷兹湖水位的近期变化趋势和规律。结果表明：①ICESat-1/2激光测高雷达数据在陆地湖泊水位反演中误差可控制在0.05 m之内,精度高度可信,为无/缺资料地区湖泊水文监测提供良好的数据源;②2003—2019年,萨雷兹湖的水位持续呈现显著上升的趋势,水位上升的速率约为0.15 m/a （p<0.01,双尾）;③萨雷兹湖的水位年内波动较大（至少7~8 m）。最高水位出现在9—10月,当前平均水位约为3265 m,最低水位出现在3—5月,当前平均水位约为3259 m。以上研究结果可为萨雷兹湖的综合治理及安全评估提供数据支持和技术参考。     

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。     

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。     

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。     

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。