陆海激光卫星高程测量的思考

唐新明，李国元,2,3

(1.自然资源部 国土卫星遥感应用中心，北京 100048； 2.中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083；3.山东师范大学 地理与环境学院, 山东 济南 250014)

0 引言

激光雷达是一种集激光、全球定位系统和惯性导航系统于一体的主动式观测系统，用于快速获取地面及地面目标的三维信息，与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为获取对地观测系统信息的核心技术[1-3]。随着科技发展，激光雷达得到了快速发展。新型激光雷达具有微脉冲、高重复频率、多波束、小光斑、高效率、轻量化等显著优势，已成为主动对地观测卫星激光测高的发展趋势。美国于2018年9月成功发射了名为ICESat-2的多波束单光子激光测高卫星，并于2018年12月成功发射了全球生态系统动力学调查(GEDI)激光测高载荷，搭载了多波束天基激光测高系统[4]。目前千波束的高精度表面地形激光测量(LIST)卫星仍在论证阶段，主要用于获取全球5 m网格大小和10 cm高程精度的地形信息，以及森林植被、湖泊水系、极地冰盖等的高程变化量等，预计在2020年之后发射[1,5]。

多波束新型激光测高卫星在全球测图、海洋测绘、极地测绘等方面具有重要的应用价值，是测绘行业转型升级的重要技术支撑，还能在全球森林生物量估算、农作物长势监测等方面提供更直接的解决方案，为有效应对气候变化提供重要保障。多波束新型激光测高卫星是下一代激光测量卫星，在我国《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》中明确提出要发展多波束激光测量技术，在《卫星测绘“十三五”发展规划》中提出要发展单光子激光测高卫星，并开展卫星指标论证。随着我国“一带一路”建设的不断深入，高精度、快速、高效获取和监测地理信息资源显得越来越重要。在山水林田湖草的全要素管理和监测方面，国产遥感卫星面临更大的挑战和更高的要求：监测要素要从国土资源拓展到自然资源，从平面监测拓展到立体监测；监测范围要从内陆拓展到近海甚至大洋，从陆地拓展到极地；监测精度要从1∶50 000拓展到1∶5 000甚至到1∶2 000；特别是测高精度要从米级拓展到厘米级。由于激光测高在高精度高程测量方面具有独特的优势，因此，发展能满足陆地、沿海滩涂、潮间带、浅海、海岛礁等高程综合测量需求的新一代陆海激光卫星高程测量技术是适应新形势、满足新需求的必然选择。

1 应用需求分析

1.1 1∶2 000/1∶5 000高精度控制点数据获取

地理信息是国家重要的基础性、战略性信息资源，全球地理信息资源开发已列入国家“十三五”规划纲要和《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》。卫星遥感具有不受国界限制、远距离、大范围对地观测的特点，在获取全球地理信息方面具有独特优势。1∶5 000及1∶2 000比例尺的高程控制点获取是境内外测绘均需解决的技术难点。利用激光测量卫星获取全球高程控制点，是现有精度最高的技术手段。陆海激光高程测量卫星将重点针对国内经济发达城镇地区(面积约100万km2)、“一带一路”沿线地区(面积约为200万km2)获取高精度地面控制点，从而满足航天遥感立体测图的应用需求。

1.2 陆地生态系统森林生物量估算

2015年，我国在《中共中央国务院关于加快推进生态文明建设的意见》中提出要推进对森林、草原等的统计监测核算能力的建设，并要求用卫星遥感等技术手段，对自然资源和生态环境保护状况开展全天候监测，健全覆盖所有资源环境要素的监测网络体系。从全球范围来看，气候变化作为生态、环境和发展领域的重大全球性问题，受到各国高度重视和社会普遍关注。近年来，随着应对气候变化国际进程的持续深入推进，森林因其具有巨大的CO2吸收、存储和替代功能成为减缓全球气候变化成本最低、综合效益最高的重要途径。森林间接减排已纳入国际规则，在《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》中都明确指出要通过增加森林碳汇和减少毁林排放来减缓气候变化，利用森林碳汇来抵排已成为发达国家的通行做法。林业碳汇是我国林业应对气候变化国家战略的基础支撑。森林碳汇抵排战略要求建设内涵全面、数据权威、模型可靠、参数合理、反应快速的森林碳汇计量监测体系，以测准算清森林碳汇，科学阐明中国生态建设和保护对气候变化的作用和贡献。

卫星激光测高数据能有效获取森林的垂直结构分布信息，特别是实现大范围的森林树高测量、生物量估算。ICESat卫星激光测高数据在全球范围的森林树高和碳汇估算方面产生了较好的科学示范应用效应，为我国发展自主可控的激光测高卫星提供了参考和借鉴价值，但也存在激光波束数不够多、地面足印点密度不够大等问题。

1.3 浅海及海岛礁地形测绘

我国是海洋大国，拥有漫长的海岸线，总长度达1.8万km。沿海滩涂面积广阔，我国滩涂地区总面积超过200万hm2，其中海岸滩涂是滩涂资源的主体，分布范围最广，面积最大，占全国滩涂地区总面积的80.6%。滩涂地区面积大、地质条件特殊，易受潮汐影响，难以布设地面控制点。传统的地面测量及航测方式效率低、成本高。主动式高精度激光雷达可用于滩涂等困难地区的地形图测绘。激光雷达具有高垂直距离分辨率，是唯一可同时获取海洋和大气数据的有效手段，在近温跃层具有垂直穿透能力，可获取海洋光学参数剖面信息。激光雷达可昼夜、长时间、连续观测，基本不受太阳辐射影响，能在海洋表层/次表层剖面测量方面提供大量的科学实验数据，为海洋科学发展提供重要支撑。

激光测深被认为是海洋测绘领域极具潜力的对地观测新技术。该技术与其他测量手段相比，在浅海、岛礁、暗礁和船只无法安全到达的水域，具有安全、快速、高精度等独特优势。目前，国外商业机载激光测深雷达在清洁水体条件下最大能探测到50 m的深度，精度优于亚米级。在星载激光方面，ICESat-2单光子激光测高卫星初步证明了星载激光能获得10 m之内的水下地形信息，但卫星激光测深还存在波束数还不够多、测量深度不够且易受水质影响、数据处理理论不够完善、测深精度有待深入验证等问题，需进一步进行技术攻关。

1.4 “三极”区域高程变化监测

开展青藏高原冰川、南极冰盖、北极海冰等“三极”区域的高程变化监测，能在应对全球气候变化及科学研究中，提供中国数据，贡献中国智慧。青藏高原地区有中国最大、世界海拔最高的高原冰川，被誉为“中华水塔”，孕育了中国的母亲河——黄河和长江，因此在青藏高原区域开展冰川变化监测具有重要的生态价值和社会价值。南极蕴藏丰富资源，具有重大的科学考察意义，而北极新航线则具有战略性的经济及政治价值。南极大陆拥有世界最大的冰盖，其冰盖变化关系到海平面变化这一重大问题。随着全球气候变暖、海平面上升等问题日益突出，世界多国对极地开展了冰盖监测的科学研究。北极是一片浩瀚的冰封海洋，但随着全球气候变暖和海冰消融变薄，北极航道逐渐开始“苏醒”。以前的环球海上航行中，只能通过巴拿马运河或苏伊士运河来连接太平洋和大西洋，甚至需绕道非洲南部的好望角，与这些航线相比，北极航道一旦开通将极大地缩短航程，带来巨大的经济利益，不仅会直接改变原有的世界海洋运输格局，而且会使北极地区的战略地位整体提升。

利用卫星激光测高手段长期观测并获取冰的厚度、位置、时变信息，研究变化规律并预测趋势，为我国应对全球气候变化、建设“冰上丝绸之路”等提供重要的基础信息支撑，有利于掌握外交主动权和经济发展权。

2 关键技术

2.1 高精度激光指向测量技术

激光指向的高精度测量是卫星激光测高系统中的重要环节。ICESat卫星的GLAS(geoscience laser altimeter system)在卫星姿态及激光指向精确测量方面进行了大量研究，通过激光指向与星敏感器有效耦合的创新测量方法，实现了GLAS激光束1.5″精度的绝对指向测量结果。具体而言，采用激光与卫星的星敏关联模式，实现了激光指向的绝对角度测量[6]；采用LPA(laser profile array)光轴变化实时监视的方式，实现了激光指向变化量的精确测量[7]，如图1，2所示。美国ICESat-2卫星上也采用了激光精确指向确定(PPD)技术，预期能实现0.64″的指向测量精度[8]。对于陆海激光高程测量卫星，高精度测量激光指向是难点和关键问题，要有针对性地对多波束激光指向测量及稳定性监测问题进行技术研究，确保几何定位精度。

图1 不同时间段的LPA激光光斑能量空间分布示意Fig.1 Spatial distribution of LPA laser spot energy during different time periods

图2 长时间段内LPA光斑质心位置变化监测结果Fig.2 Change monitoring result of LPAcentroid position within long period

2.2 距离门宽度动态适应调整技术

陆海激光雷达的距离门宽度与探测概率、探测精度、数据量大小密切相关，合理有效地控制距离门宽度，特别是实现根据地形起伏、地物类别等自适应动态调整距离门宽度对于提高探测概率和测量精度，有效减少数据量和存储传输压力均具有重要意义。ICESat-2卫星根据同一地区的数字地形图(DRM)、数字高程模型(DEM)、地表参考标记(SRM)确定需要测量目标的实际情况，进而调整距离门宽度，获取更精准的测量结果[9]。新型激光雷达需要通过构建多种分辨率组合的地形地物参考库，综合利用全球DEM和地表覆盖数据，研究基于先验地形的激光测高卫星快速定位及距离门宽度动态调整技术[10]。

2.3 多波束激光在轨几何定标技术

高精度的在轨几何定标是卫星激光测高数据能有效应用的前提，通过地面布设大面积的探测器主动捕捉卫星发射到地面的微弱激光信号，能有效且高精度地实现激光卫星在轨几何定标[11-12]，但当激光波束数大于2时，该方案的工程难度、经济代价将非常大，迫切需要对在轨几何定标技术进行创新和发展。多波束激光测高载荷一般综合采用多台激光器和光学衍射元件(DOE)分光模式，实现几十甚至千百波束激光的同步密集测量，波束间具有一定的几何耦合关系。建议深入研究精细化地形特征匹配算法用于多波束激光在轨几何定标的可行性[13]，研究新型可用于大范围、低成本、多波束、在轨几何定标方法，研究波束间几何耦合关系与稳定性分析。

2.4 高背景噪声有效剔除技术

光子探测模式的一个显著特点就是高背景噪声，特别是在受大气、雾霾、复杂地形影响下，噪声更突出，信噪比更低，有效信号甚至可能被淹没在噪声中[10,14]。除采用上述的距离门宽度动态调整技术外，还需研究噪声自动滤除方法，结合分段局部高度直方图和方向自适应的椭圆滤波核，实现噪声剔除和有效光子信号提取。针对原始的光子云数据，利用局部区域的地形坡度设定阈值，并动态调整该阈值，可实现光子云数据的粗去噪，如图3所示。考虑到地形参考数据本身的精度(如SRTM，AW3D30的高程精度为5.0 m)，并考虑到可能存在森林植被，初始高差阈值建议设定为25.0 m。

图3 基于先验地形的光子点云数据粗去噪示意图Fig.3 Illustration of coarse denoising of photon point cloud data based on priori terrain

结合MABEL数据处理经验，对粗去噪的光子点云数据，采用自适应的椭圆聚簇滤波算法提取信号光子。不同形状及方向的聚簇算法如图4所示。

图4 不同形状及方向的聚簇算法示意图Fig.4 Illustration of clustering algorithms with different shapes and directions

2.5 复杂环境下地形信息高精度提取技术

在高重复频率条件下，卫星激光能多次观测同一区域。借鉴测量平差的思想，综合多次观测的结果，从粗差剔除以及冗余观测的角度，优化最终测量的精度。在海滩涂区域，多波束的单光子激光能穿透一定深度的水体，为测量浅海地形提供支撑，可以采用MABEL数据中的海岸带飞行数据，开展浅海地形测绘的预研试验。基于前述滤波，针对浅海地形测量的研究，对水体和陆地点云进行分类，然后对位于水体的点云进行水面和水底分层，考虑水体对激光的折射影响，最终获得水体深度和海底地形。

3 结束语

新型卫星激光雷达可考虑增加高精度小光斑激光探测，加大光斑陆地激光探测范围，增加用于林业生物量估算和地形探测的激光波束数量，扩大海洋科研激光探测范围。建议利用卫星敏捷机动技术，开展多波束激光测深卫星的预研和关键技术攻关研究，实现海岸带和重要岛礁的星载激光快速观测与地形测绘，摸清沿海和重要岛礁区域的自然资源信息，为更好认识海洋、利用海洋、善待海洋，特别是为建设我国“海洋强国”和“蓝色农业”保驾护航。

在卫星应用方面，要解决制约多波束激光测高数据处理与应用的难点问题，建议在距离门宽度动态自适应调整、多波束激光在轨几何定标、高背景噪声有效滤除、地形信息高精度提取等方面开展针对性研究，有效提高在激光领域的技术实力。通过研制陆海卫星激光雷达，满足陆地高程控制点数据提取、森林树高及生物量估算、浅海及滩涂地形测绘、海洋浅/次表层剖面测量、“三极”冰盖及海冰厚度监测等具体应用需求，通过采用多波束激光陆海分时工作和敏捷机动模式，全面提升自然资源卫星高程测量精度和应用能力。