学术交流 李国元博士:高分七号卫星激光测高数据处理与精度开始验证

发布时间:2022-03-11 14:21:25 | 作者:环球体育竞猜

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  装备在高分七号卫星上的是我国首个具有全波形记载功用的激光测高仪,首要用于获取地上稀少的高程操控点,提高了同渠道立体印象无地上操控点的立体测图精度。高分七号卫星激光测高规范化处理是测绘运用的关键过程,所生成的激光测高规范产品是后续对外分发和事务化运用的重要条件。本文环绕高分七号卫星的激光数据,研讨了激光测高数据处理办法,验证了激光测高规范产品的几许精度。挑选几许定标区以及陕西华阴、德国北威州等多个验证区,结合高精度外业丈量点和机载LiDAR-DSM数据,对高分七号卫星激光测高规范产品展开精度验证。验证成果表明,高分七号SLA03产品定标区两波束激光的平面精度别离为(3.8961.029)m和(3.2860.337)m、高程精度别离为(0.0180.099)m和(-0.0170.096)m。选用高程操控点质量操控参数ECP_Flag能有用标识出可用于高程操控的激光点,其间陕西华阴验证区两波束激光整体精度别离为(-0.1132.519)m和(0.1911.071)m,经质量操控后ECP_Flag符号为1的激光点高程精度为(0.1110.152)m和(-0.0640.115)m;德国北威州整体精度为(-0.8975.485)m和(-0.2026.207)m,ECP_Flag符号为1的激光点高程精度为(-0.3040.190)m和(-0.2790.220)m。现在高分七号卫星激光测高规范产品已在天然资源部疆土卫星遥感运用中心完成事务化出产。

  激光测高卫星是对地观测卫星的重要组成部分[1-2]。美国先后于2003年、2018年发射了冰、云和陆地高程卫星(ice、cloud and land elevation satellite,ICESat)及后续卫星ICESat-2,在极地改变监测、湖泊水位丈量、高精度地势丈量等范畴得到广泛运用,成为展开激光测高卫星的成功事例[3-4],并于2018年12月在世界太空站上成功装备了全球生态系统动力学查询(global ecosystem dynamics investigation, GEDI)[5]多波束激光测高仪。尽管我国现在还没有专门的激光测高卫星,但在2016年发射的资源三号02星,成功完成了试验性激光测高载荷对地观测的高程有用丈量,并验证了提高立体印象无控高程精度的可行性[6-7]。2019年11月3日成功发射的高分七号(GF-7)卫星上装备的事务化运用的全波形激光测高仪,能为快速获取高程操控点、监测大型湖泊水位改变等供给高精度数据支撑[8]。

  规范化测绘处理是国产卫星激光测高产品走向工程化运用的根底和条件。我国对月观测的“嫦娥”系列卫星上搭载过激光测高系统[1, 9],但其观测条件、仪器功能、精度目标等与对地观测有很大差异。此外,国外尽管先后建立了ICESat/GLAS、ICESat-2/ATLAS、GEDI等为代表的卫星激光测高产品系统[3-5, 10],但其载荷与国内存在必定差异,如国产的高分七号卫星激光测高仪一同装备了足印相机而国外没有。因而,研讨国产高分七号卫星激光测高规范化处理办法及产品设计,具有十分重要的现实意义和运用价值。

  环绕激光测高数据处理及产品设计,文献[11]研讨了卫星激光测高紧密几许模型、对影响激光精度的卫星轨迹和姿势、指向角、大气、潮汐、光行差等进行了较深化地剖析;文献[12]针对资源三号02星激光测高仪数据处理,并从指向角、观测时刻、侧摆等方面进行了质量点评剖析;文献[13]针对大气折射对激光测距精度影响进行了研讨,现在现已构成较老练的计划,但现在大气散射的影响及校对还有待深化[14-15];文献[16-19]对卫星激光测高差错及精度等进行剖析,并明确指出斜度是影响测高精度的一个重要要素[19]。国产卫星激光测高产品设计相关研讨则根本为空白。本文结合高分七号激光测高数据特色,研讨了高分七号激光测高产品分级、规范产品数据处理流程、产品结构等内容,然后运用多个验证区外业丈量成果验证了规范产品平面和高程精度。所得定论对我国后续激光测高卫星数据处理、精度鉴定具有重要的演示价值。

  高分七号卫星激光测高系统包括2波束激光器, 以3 Hz的作业频率向地上发射1064 nm波长的激光脉冲,在地上构成沿轨距离约2.4 km、垂轨距离约12.25 km的离散激光光斑,如图 1所示。对应20 km×20 km幅宽的线 高分七号卫星激光测高数据概略

  初期不低于(1802)mJ,激光器作业1×108次后,脉冲能量衰减不超越10%

  高分七号卫星激光测高系统在获取全波形数据的一同,运用足印相机记载激光的发射光斑强度散布及地上落点方位周围的地物印象,经过印象匹配完成激光与线阵遥感印象的几许相关。激光器与足印相机有两种协同作业形式,即同步形式和异步形式。在同步形式下,足印相机对激光光斑和地物一同成像,构成一幅具有激光光斑的足印印象,为防止偏亮的光斑散布印象与实践落点方位地物印象堆叠,影响地物的解译与辨认,硬件设计时进行了激光波束指向在足印印象上约0.4的偏移,完成激光光斑和实践落点地物的别离,经过外场几许定标可取得实践落点方位相对于光斑质心的偏移量,如图 2所示。异步形式下,足印相机在激光脉冲发射的前、后曝光构成两幅地物印象,且在激光发射时曝光构成光斑印象,如图 3所示。图2 同步曝光形式足印印象图 3 异步曝光形式足印印象

  激光足印相机指向记载办法的差错来源于激光导光光路(图 4中赤色线部分),在激光光轴指向与足印相机耦合联系十分安稳的条件下,该差错理论上可视为一个常数,对应在足印印象(laser footprint image,LFI)上为一个平移量。在实验室经过紧密的丈量建立了激光光斑质心与落点方位的转化联系,经过在轨定标能够确认激光的落点在足印印象的实在方位,经过监督光斑质心改变能够确认实践落点方位是否发生改变。异步形式下可经过激光落点标定方位以及发射前后的地物印象内插,取得激光在地物印象上的实践像素方位。图 4 高分七号卫星激光足印印象原理

  图 5为高分七号卫星激光测高的原始回波波形数据样例,所代表的地表掩盖类型别离为裸地、建筑物和植被等。图5 高分七号卫星激光测高的原始回波波形数据示例

  结合高分七号卫星激光测高仪的特色,一同参阅国外ICESat、ICESat-2、GEDI等多型卫星激光数据产品分级规范,对高分七号卫星激光测高产品分级见表 2。

  对SLA01产品结合定标参数、实时下传的姿势和轨迹信息,经波形处理、根本几许定位的根底测距产品

  对SLA01或SLA02,结合精细轨迹、精细姿势、大气和潮汐改正、全波形处理、足印印象测绘规范化处理,构成的激光测高规范产品

  SLA03作为激光规范测绘产品,现在已在天然资源部疆土卫星遥感运用中心完成事务化出产,能够对外分发供相关用户运用[21]。一同跟着数据的堆集,正在逐渐构建全球高程操控点数据产品SLA05以及大型湖泊水位产品SLA06。鉴于高分七号激光较低的重频率和极地掩盖才能,现在林业及极地相关产品并未归入产品系统中。一同考虑到大气在对地观测卫星中的特别影响,气溶胶、光学厚度、云高级大气专题产品SLA04现在作为备选项进行了保存,后期将结合高分七号同渠道的多光谱印象、足印印象及第三方的相关数据,逐渐构建大气专题产品,对激光的精细化运用供给支撑。

  高分七号卫星激光测高规范产品SLA03是其他类专题产品的根底,相似ICESat-2卫星的ATLAS系列产品中的ATL03(全球激光点地舆定位产品)。高分七号后续的高程操控点、湖泊水位等专题产品均可由SLA03规范产品经深加工而生成。规范产品SLA03的处理流程如图 6所示,针对高分七号卫星激光测高数据,选用过后处理的精细轨迹和姿势数据,并对大气、潮汐等环境影响进行精细改正得到的准确三维坐标[2, 11, 22]、具有准确地舆信息的足印印象、规范化的波形特征参数等。处理过程如下。图6 高分七号卫星激光测高规范产品出产流程

  (1) 波形处理。对波形数据进行预处理,经高斯分化提取波形特征参数,结合发射和接纳回波对应的时刻差,核算激光传输的距离和粗定位方位。

  (2) 大气改正。结合全球气候再剖析材料,如美国国家环境猜测中心(national centers for environmental prediction,NCEP)发布的全球1×1的每天4个时段的气候材料,运用激光的粗定位方位核算大气推迟改正值,取得准确距离值。

  (3) 足印印象处理。对足印印象进行预处理,提取激光光斑质心方位并剖析其改变,依据定标成果在足印印象异步形式下组成虚拟足印印象。结合质心的方位改变和校对公式,对激光光斑的实践落点方位进行批改[23-24]。

  (4) 潮汐改正和准确方位解算。结合准确距离值、精细轨迹和姿势数据、几许定标以及落点方位批改值,核算激光点的三维坐标,并叠加固体潮、海潮、极潮、负荷潮等各类潮汐改正。

  (5) 质量操控符号。结合足印印象云检测、光轴监督相机光斑质心安稳性监测等对激光三维坐标的质量进行相应符号。

  激光测高精度不可防止受大气、地势、地物等要素的影响,质量操控是激光数据处理过程中的一个重要环节,也是非成像类卫星产品的一个难点问题。为尽量满意后续高程操控点运用的主动辨认,在高分七号卫星激光测高规范产品处理过程中,归纳选用了波形脉宽、波峰数、足印印象根本质量判别、地势斜度等信息[22],增加了ECP_Flag (elevation control point flag)字段,共符号了8类,除符号为10的代表落水外,剩余的7级用于标识激光点作为高程操控点的可用性。SLA03产品中ECP_Flag符号为1、2、3的激光点表明主张高程操控点运用,其间符号为1的代表地势地物单一、斜度小于2,高程精度十分高,理论上应优于0.17 m;符号为2的代表斜度小于5且回波中主峰面积和能量占优,精度较高,理论上优于0.43 m;符号为3的代表斜度小于7.5,回波中主峰面积和能量根本占优,理论上精度优于0.65 m,但因大光斑内地物影响,精度的可信度可能有必定缺乏;符号为4~6的不引荐为操控点,首要是地物类型比较杂乱、波形分化的波峰数大于等于3个,且波形有展宽,但可考虑用于林业树高、建筑物高度等特征提取运用;符号为7代表该点信噪十分低、牢靠性较差;符号为10的代表依据地舆方位和GLC30(global land cover, 地表掩盖分类判别该点落水,是坐落水体上的激光点,不能用于高程操控点运用,后续可考虑用于大型湖泊水位丈量运用。

  高分七号卫星激光测高规范产品SLA03中包括波形数据、印象数据、激光足印三维坐标以及各种特征参数。主体文件以HDF5格局存储,在HDF5文件内部,每个激光点存储在一个组(Group)中,每个激光点的数据由若干字段组成,依据字段的具体内容分为6个子组(SubGroup),包括归纳信息(Basic_Information)、足印印象信息(LFI_Information)、波形信息(Waveform_Feature)、地势地物信息(TerrainFeature)、地球物理信息(Geophysic)、其他字段(Other)。其间,归纳信息中包括激光点的编号、三维坐标、所属激光器等,足印印象信息中包括足印印象分辨率、激光落点在足印印象上的像素方位、足印印象数据体等,波形信息包括经滤波去噪等预处理后的发射和回波波形,经高斯分化后的波形特征参数等,地势地物信息中首要包括根据波形提取的激光光斑内的高程分层值、地表斜度等,地球物理信息中包括大气折射推迟距离改正值以及固体潮、极潮、海潮和负荷潮改正值,其他字段包括根据GLC30获取的激光落点处地物掩盖类别、陆海标识。

  激光测高规范产品首要有数据主体文件、元数据文件、空间散布文件、激光三维坐标文件(表 3)。其间,主体文件为产品主体,存储了激光测高规范产品的一切信息。元数据文件为辅佐文件,存储了激光测高规范产品的元信息。空间散布文件为Shape文件,包括了配套的辅佐文件,一同存放于LaserRange文件夹中。激光三维坐标文件为文本文件,供给各个激光点的索引、经度、纬度、高程、高程可用性符号等信息。

  针对经事务化主动处理出产的SLA03激光测高规范产品,展开平面和高程精度验证,其间平面精度验证选用地上探测器进行点评,高程精度选用实地RTK-GPS丈量点和LiDAR-DSM进行验证剖析。

  高分七号卫星在轨测验期间,天然资源部疆土卫星遥感运用中心、我国资源卫星运用中心等多家单位联合,在2020年6月14日、6月15日、7月14日、7月19日先后屡次在几许定标场准确捕捉到激光光斑[20],运用探测器的中心方位能够对定标后经规范处理出产的SLA03产品进行平面必定精度点评,成果见表 4。

  表 4中核算高程值为空的代表该激光点所在区域地上布设了角反射器,波形呈现了饱满现象。由表 4能够看出,激光点的平面精度在同一天的同一波束内具有十分好的一致性,如波束1在7月14日的编号为959536149和959536153的两个激光点平面差错较差为0.12 m,对应激光指向短时刻的安稳精度为0.05″;波束2在7月19日的编号为964719118和964719122的两个激光点平面差错较差为0.58 m,对应激光指向短时刻的安稳精度约0.24″。试验区波束1的激光点平面必定差错最大为4.861 m,波束2最大为3.489 m,根据地上探测器核算的两波束激光的平面精度别离为(3.8961.029)m和(3.2860.337)m。

  为点评激光点的必定高程精度,选用定标区,以及陕西华阴区域、德国北威州区域的高分七号多期实践数据进行点评,高程基准均一致为WGS-84椭球的大地高。陕西华阴区域的高程规模为[299.3 m, 1535.7 m],平地和山区根本各占一半;德国北威州验证区的高程规模为[73.8 m, 613.2 m],绝大部分归于城市平整区域,部分归于丘陵和山区。其间后两个区域的激光点与定标区在时刻和空间上均有必定距离,更能反映高分七号激光规范产品的实在精度水平。

  在外场定标区2020年6月9日、6月14日、6月19日、6月24日别离实测了必定数量的RTK-GPS点,与实践核算的高程值的差错见表 5。波束1和波束2参加核算的个数别离为22个,精度别离为(0.0180.099)m,(-0.0170.096)m。即与定标区时刻和空间接近的激光点,在斜度小于2的平整区域必定高程精度优于0.10 m。

  挑选与内蒙古定标区有必定时刻和空距离离的陕西验证区展开必定精度验证,数据获取时刻别离为2020年4月26日、5月1日的2662轨和2738轨。点位散布如图 7所示,针对激光点的落点方位经纬度,以3~5 m距离往外扩20 m左右,运用RTK-GPS收集地上点的三维准确坐标,如图 8所示。波束1共45个点、波束2共25个点,经核算波束1和波束2的整体高程精度别离为(-0.1132.519)m和(0.1911.071)m,相关成果见表 6。表 6中ECP_Flag字段符号为1的个数均为11个,精度别离为(0.1110.152)m、(-0.0640.115)m;符号为2的别离为10个和5个,精度别离为(0.2460.229)m、(0.1220.269)m。图7 陕西区域部分激光高程点散布暗示图8 激光落点与RTK-GPS测点方位暗示

  由表 6能够看出,符号为1的激光点必定高程精度十分高,彻底能够作为高程操控点运用;符号为2的次之,精度根本在0.3 m以内;符号为3的精度在0.5 m左右、能够考虑运用;剩余的为地势、地物杂乱区或信噪比较低的点精度较差,不能作为操控点运用。从核算成果来看,符号为1和2的符号办法彻底可信、精度牢靠,能够作为高精度高程操控点运用。

  进一步地挑选境外德国北威州区域共5轨高分七号卫星激光测高数据,如图 9所示。别离为2020年6月21日的第3516轨、7月6日的第3745轨、7月11日的第3820轨、7月21日的第3973轨、8月29日的第4564轨。因为该区域激光点散布规模较大,考虑到激光存在必定距离,因而图中的圆圈要小于上文中的图 7,即圆圈仅代表激光点方位,不代表实践激光光斑巨细。图中部分空白段代表该区域因云层较厚激光未到达地上,数据无效。参阅高程来自于该区域高精度的机载LiDAR-DSM数据,格网巨细为1 m,获取时刻为2014-2016年,高程基准为德国选用的DHHN2016,选用EGM2008大地水准面模型转化为WGS-84椭球的大地高。经咨询国外该数据发布方的专家,高程基准转化精度在0.1~0.2 m,归纳考虑LiDAR点云自身的精度,该区域参阅数据的必定高程精度约0.25 m。该区域SLA03产品的必定高程精度点评成果见表 7,两波束激光的整体精度别离为(-0.8975.485)m和(-0.2026.207)m。ECP_Flag符号为1的高程精度别离为(-0.3040.190)m和(-0.2790.220)m,符号为2的高程精度别离为(-0.1100.454)m、(0.0240.501)m,能操控在0.5 m内,即ECP_Flag符号为1和2的能够作为高程操控点运用。图9 德国北威州区域高分七号卫星激光测高数据散布暗示

  本文针对高分七号卫星激光测高数据规范产品处理办法进行了研讨,并归纳选用定标区以及与定标区有必定时空距离的陕西、德国等区域进行产品精度验证。

  (1) 经规范化测绘处理后,现在高分七号的激光精度能完成平地高程优于0.15 m的较高水平;其间定标区平面精度优于5.0 m,高程优于0.10 m。

  在资源三号02星试验性激光测高的根底上,高分七号尽管不是专门的激光测高卫星,但其激光测高载荷作为国内首台事务化运用的对地观测激光测高仪,进一步完成了我国卫星激光测高技能的严重前进。与国外同类型的ICESat/GLAS全波形激光测高比较,高分七号激光光斑更小、精度相对略高,但在激光器硬件水平的重频率及运用场景多样性方面还有必定距离。此外,高分七号激光足印印象还存在分辨率偏低、辐射质量不安稳,在大视点侧摆下几许精度下降等问题。在必定前进的一同,咱们也需求正视问题,进一步立异,深化发掘国产卫星激光测高的精度潜力、运用潜力,一同要加速推进陆海激光卫星的预研攻关[25-26],争夺提前发射国产首颗专业类型的激光测高卫星,在测绘、极地、林业、水利等多个职业完成规模化运用。

  作者简介:李国元,男,博士,副研讨员,首要研讨方向为卫星激光测高数据处理与运用

  原标题:《学术交流 李国元博士:高分七号卫星激光测高数据处理与精度开始验证》

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