高分七号卫星激光测高数据处理与精度初步验证

李国元，唐新明,陈继溢，么嘉棋,2,刘 诏,高小明,3,左志强，周晓青

1. 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048； 2. 山东科技大学测绘与空间信息学院，山东 青岛 266590； 3. 江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，江苏 南京 210023

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，在极地变化监测、湖泊水位测量、高精度地形测量等领域得到广泛应用，成为发展激光测高卫星的成功案例[3-4]，并于2018年12月在国际太空站上成功装备了全球生态系统动力学调查(global ecosystem dynamics investigation,GEDI)[5]多波束激光测高仪。虽然我国目前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，成功实现了试验性激光测高载荷对地观测的高程有效测量，并验证了提升立体影像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)卫星上装备的业务化应用的全波形激光测高仪，能为快速获取高程控制点、监测大型湖泊水位变化等提供高精度数据支撑[8]。

标准化测绘处理是国产卫星激光测高产品走向工程化应用的基础和前提。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、仪器性能、精度指标等与对地观测有很大区别。此外，国外虽然先后建立了ICESat/GLAS、ICESat-2/ATLAS、GEDI等为代表的卫星激光测高产品体系[3-5,10]，但其载荷与国内存在一定差异，如国产的高分七号卫星激光测高仪同时配备了足印相机而国外没有。因此，研究国产高分七号卫星激光测高标准化处理方法及产品设计，具有非常重要的现实意义和应用价值。

围绕激光测高数据处理及产品设计，文献[11]研究了卫星激光测高严密几何模型、对影响激光精度的卫星轨道和姿态、指向角、大气、潮汐、光行差等进行了较深入地分析；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、观测时间、侧摆等方面进行了质量评价分析；文献[13]针对大气折射对激光测距精度影响进行了研究，目前已经形成较成熟的方案，但目前大气散射的影响及校正还有待深化[14-15]；文献[16—19]对卫星激光测高误差及精度等进行分析，并明确指出坡度是影响测高精度的一个重要因素[19]。国产卫星激光测高产品设计相关研究则基本为空白。本文结合高分七号激光测高数据特点，研究了高分七号激光测高产品分级、标准产品数据处理流程、产品结构等内容，然后利用多个验证区外业测量结果验证了标准产品平面和高程精度。所得结论对我国后续激光测高卫星数据处理、精度评定具有重要的示范价值。

1 高分七号卫星激光测高仪特点

1.1 高分七号卫星激光测高仪概况

高分七号卫星激光测高系统包括2波束激光器,以3 Hz的工作频率向地面发射1064 nm波长的激光脉冲，在地面形成沿轨间隔约2.4 km、垂轨间隔约12.25 km的离散激光光斑，如图1所示。对应20 km×20 km幅宽的线阵遥感影像范围内有2列共16个激光点。

高分七号激光测高仪主要技术指标见表1。

表1 激光测高仪主要技术指标[20]

1.2 高分七号卫星激光测高数据特点

高分七号卫星激光测高系统在获取全波形数据的同时，利用足印相机记录激光的发射光斑强度分布及地面落点位置周围的地物影像，通过影像匹配实现激光与线阵遥感影像的几何关联。激光器与足印相机有两种协同工作模式，即同步模式和异步模式。在同步模式下，足印相机对激光光斑和地物同时成像，形成一幅具有激光光斑的足印影像，为避免偏亮的光斑分布影像与实际落点位置地物影像重叠，影响地物的解译与识别，硬件设计时进行了激光波束指向在足印影像上约0.4°的偏移，实现激光光斑和实际落点地物的分离，通过外场几何定标可获得实际落点位置相对于光斑质心的偏移量，如图2所示。异步模式下，足印相机在激光脉冲发射的前、后曝光形成两幅地物影像，且在激光发射时曝光形成光斑影像，如图3所示。

激光足印相机指向记录方式的误差来源于激光导光光路(图4中红色线部分)，在激光光轴指向与足印相机耦合关系非常稳定的前提下，该误差理论上可视为一个常数，对应在足印影像(laser footprint image，LFI)上为一个平移量。在实验室通过严密的测量建立了激光光斑质心与落点位置的转换关系，通过在轨定标可以确定激光的落点在足印影像的真实位置，通过监视光斑质心变化可以确定实际落点位置是否发生变化。异步模式下可通过激光落点标定位置以及发射前后的地物影像内插，获得激光在地物影像上的实际像素位置。

图5为高分七号卫星激光测高的原始回波波形数据样例，所代表的地表覆盖类型分别为裸地、建筑物和植被等。

2 高分七号卫星激光数据处理

2.1 产品分级

结合高分七号卫星激光测高仪的特点，同时参考国外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。

表2 高分七号卫星激光测高产品分级信息表

SLA03作为激光标准测绘产品，目前已在自然资源部国土卫星遥感应用中心实现业务化生产，可以对外分发供相关用户使用[21]。同时随着数据的积累，正在逐步构建全球高程控制点数据产品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覆盖能力，目前林业及极地相关产品并未纳入产品体系中。同时考虑到大气在对地观测卫星中的特殊影响，气溶胶、光学厚度、云高等大气专题产品SLA04目前作为备选项进行了保留，后期将结合高分七号同平台的多光谱影像、足印影像及第三方的相关数据，逐步构建大气专题产品，对激光的精细化应用提供支撑。

图1 高分七号卫星激光测高数据概况Fig.1 Data acquisition method for laser altimetry of GF-7 satellite

图2 同步曝光模式足印影像Fig.2 Laser footprint image in synchronous exposure mode

2.2 激光测高标准产品数据处理流程

高分七号卫星激光测高标准产品SLA03是其他类专题产品的基础，类似ICESat-2卫星的ATLAS系列产品中的ATL03(全球激光点地理定位产品)。高分七号后续的高程控制点、湖泊水位等专题产品均可由SLA03标准产品经深加工而生成。标准产品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，采用事后处理的精密轨道和姿态数据，并对大气、潮汐等环境影响进行精细改正得到的精确三维坐标[2,11,22]、具有精确地理信息的足印影像、标准化的波形特征参数等。处理步骤如下。

图3 异步曝光模式足印影像Fig.3 Laser footprint image in asynchronous exposure mode

图4 高分七号卫星激光足印影像原理Fig.4 Principle of laser footprint image of GF-7 satellite

(1) 波形处理。对波形数据进行预处理，经高斯分解提取波形特征参数，结合发射和接收回波对应的时间差，计算激光传输的距离和粗定位位置。

(2) 大气改正。结合全球气象再分析资料，如美国国家环境预测中心(national centers for environmental prediction，NCEP)发布的全球1°×1°的每天4个时段的气象资料，利用激光的粗定位位置计算大气延迟改正值，获得精确距离值。

图5 高分七号卫星激光测高的原始回波波形数据示例Fig.5 Example of original echo waveform data of GF-7 satellite laser altimetry

(3) 足印影像处理。对足印影像进行预处理，提取激光光斑质心位置并分析其变化，根据定标结果在足印影像异步模式下合成虚拟足印影像。结合质心的位置变化和校正公式，对激光光斑的实际落点位置进行修正[23-24]。

(4) 潮汐改正和精确位置解算。结合精确距离值、精密轨道和姿态数据、几何定标以及落点位置修正值，计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) 质量控制标记。结合足印影像云检测、光轴监视相机光斑质心稳定性监测等对激光三维坐标的质量进行相应标记。

激光测高精度不可避免受大气、地形、地物等因素的影响，质量控制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。为尽量满足后续高程控制点应用的自动识别，在高分七号卫星激光测高标准产品处理过程中，综合采用了波形脉宽、波峰数、足印影像基本质量判断、地形坡度等信息[22]，增加了ECP_Flag (elevation control point flag)字段，共标记了8类，除标记为10的代表落水外，剩下的7级用于标识激光点作为高程控制点的可用性。SLA03产品中ECP_Flag标记为1、2、3的激光点表示建议高程控制点使用，其中标记为1的代表地形地物单一、坡度小于2°，高程精度非常高，理论上应优于0.17 m；标记为2的代表坡度小于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；标记为3的代表坡度小于7.5°，回波中主峰面积和能量基本占优，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一定不足；标记为4～6的不推荐为控制点，主要是地物类型比较复杂、波形分解的波峰数大于等于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应用；标记为7代表该点信噪非常低、可靠性较差；标记为10的代表根据地理位置和GLC30(global land cover,http:∥www.globalland cover.com)地表覆盖分类判断该点落水，是位于水体上的激光点，不能用于高程控制点使用，后续可考虑用于大型湖泊水位测量应用。

图6 高分七号卫星激光测高标准产品生产流程Fig.6 Production process of GF-7 satellite laser altimetry standard product

2.3 激光测高标准产品的具体构成

高分七号卫星激光测高标准产品SLA03中包括波形数据、影像数据、激光足印三维坐标以及各种特征参数。主体文件以HDF5格式存储，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，根据字段的具体内容分为6个子组(SubGroup)，包括综合信息(Basic_Information)、足印影像信息(LFI_Information)、波形信息(Waveform_Feature)、地形地物信息(TerrainFeature)、地球物理信息(Geophysic)、其他字段(Other)。其中，综合信息中包含激光点的编号、三维坐标、所属激光器等，足印影像信息中包含足印影像分辨率、激光落点在足印影像上的像素位置、足印影像数据体等，波形信息包含经滤波去噪等预处理后的发射和回波波形，经高斯分解后的波形特征参数等，地形地物信息中主要包含基于波形提取的激光光斑内的高程分层值、地表坡度等，地球物理信息中包含大气折射延迟距离改正值以及固体潮、极潮、海潮和负荷潮改正值，其他字段包含基于GLC30获取的激光落点处地物覆盖类别、陆海标识。

2.3.1 激光测高标准产品组织形式

激光测高标准产品主要有数据主体文件、元数据文件、空间分布文件、激光三维坐标文件(表3)。其中，主体文件为产品主体，存储了激光测高标准产品的所有信息。元数据文件为辅助文件，存储了激光测高标准产品的元信息。空间分布文件为Shape文件，包含了配套的辅助文件，一起存放于LaserRange文件夹中。激光三维坐标文件为文本文件，提供各个激光点的索引、经度、纬度、高程、高程可用性标记等信息。

表3 激光测高标准产品文件列表

2.3.2 激光测高标准产品命名规则

激光测高标准产品统一命名为：

SLA03_GF7_01_iiiiii_Eaaa.a_Nbb.b_YYYYMMDDHHMMSS_XXX.H5/XML/SHP

其中，

SLA03：测高标准产品在对地观测卫星产品体系中的类别编号。

GF7_01：高分七号01卫星的简称。

iiiiii：卫星运营商定义的轨道编号。

Eaaa.a：该数据段中心经度，保留1位小数，东经为E，西经为W。

Nbb.b：该数据段中心纬度，保留1位小数，北纬为N，南纬为S。

YYYYMMDD：该数据段中心对应的日期，格式为年月日。

HHMMSS：该数据段中心对应的时间，格式为时分秒。

XXX：数据接收站简称，如MYC为密云站。

3 高分七号卫星激光测高标准产品精度验证

针对经业务化自动处理生产的SLA03激光测高标准产品，开展平面和高程精度验证，其中平面精度验证采用地面探测器进行评价，高程精度采用实地RTK-GPS测量点和LiDAR-DSM进行验证分析。

3.1 平面精度验证

高分七号卫星在轨测试期间，自然资源部国土卫星遥感应用中心、中国资源卫星应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日先后多次在几何定标场准确捕捉到激光光斑[20]，利用探测器的中心位置可以对定标后经标准处理生产的SLA03产品进行平面绝对精度评价，结果见表4。

表4 基于地面探测器的激光点平面误差统计

表4中计算高程值为空的代表该激光点所在区域地面布设了角反射器，波形出现了饱和现象。由表4可以看出，激光点的平面精度在同一天的同一波束内具有非常好的一致性，如波束1在7月14日的编号为959536149和959536153的两个激光点平面误差较差为0.12 m，对应激光指向短时间的稳定精度为0.05″；波束2在7月19日的编号为964719118和964719122的两个激光点平面误差较差为0.58 m，对应激光指向短时间的稳定精度约0.24″。试验区波束1的激光点平面绝对误差最大为4.861 m，波束2最大为3.489 m，基于地面探测器统计的两波束激光的平面精度分别为(3.896±1.029)m和(3.286±0.337)m。

3.2 高程精度评价

为评价激光点的绝对高程精度，采用定标区，以及陕西华阴地区、德国北威州地区的高分七号多期实际数据进行评价，高程基准均统一为WGS-84椭球的大地高。陕西华阴地区的高程范围为[299.3 m,1535.7 m]，平地和山区基本各占一半；德国北威州验证区的高程范围为[73.8 m,613.2 m]，绝大部分属于城市平坦地区，部分属于丘陵和山区。其中后两个区域的激光点与定标区在时间和空间上均有一定距离，更能反映高分七号激光标准产品的真实精度水平。

在外场定标区2020年6月9日、6月14日、6月19日、6月24日分别实测了一定数量的RTK-GPS点，与实际计算的高程值的误差见表5。波束1和波束2参与统计的个数分别为22个，精度分别为(0.018±0.099)m，(-0.017±0.096)m。即与定标区时间和空间临近的激光点，在坡度小于2°的平坦地区绝对高程精度优于0.10 m。

表5 临近定标区的激光点高程验证结果统计

选择与内蒙古定标区有一定时间和空间间隔的陕西验证区开展绝对精度验证，数据获取时间分别为2020年4月26日、5月1日的2662轨和2738轨。点位分布如图7所示，针对激光点的落点位置经纬度，以3～5 m间隔往外扩20 m左右，利用RTK-GPS采集地面点的三维精确坐标，如图8所示。波束1共45个点、波束2共25个点，经统计波束1和波束2的总体高程精度分别为(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m，相关结果见表6。表6中ECP_Flag字段标记为1的个数均为11个，精度分别为(0.111±0.152)m、(-0.064±0.115)m；标记为2的分别为10个和5个，精度分别为(0.246±0.229)m、(0.122±0.269)m。

由表6可以看出，标记为1的激光点绝对高程精度非常高，完全可以作为高程控制点使用；标记为2的次之，精度基本在0.3 m以内；标记为3的精度在0.5 m左右、可以考虑使用；剩下的为地形、地物复杂区或信噪比较低的点精度较差，不能作为控制点使用。从统计结果来看，标记为1和2的标记方法完全可信、精度可靠，可以作为高精度高程控制点使用。

表6 陕西验证区激光点绝对高程精度统计表

图7 陕西区域部分激光高程点分布示意Fig.7 Distribution map of laser elevation points in Shaanxi province

图8 激光落点与RTK-GPS测点位置示意Fig.8 Schematic diagram of laser landing site and location of RTK-GPS measuring point

进一步地选择境外德国北威州地区共5轨高分七号卫星激光测高数据，如图9所示。分别为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。由于该区域激光点分布范围较大，考虑到激光存在一定间距，因此图中的圆圈要小于上文中的图7，即圆圈仅代表激光点位置，不代表实际激光光斑大小。图中部分空白段代表该区域因云层较厚激光未达到地面，数据无效。参考高程来自于该区域高精度的机载LiDAR-DSM数据，格网大小为1 m，获取时间为2014—2016年，高程基准为德国采用的DHHN2016，采用EGM2008大地水准面模型转换为WGS-84椭球的大地高。经咨询国外该数据发布方的专家，高程基准转换精度在0.1～0.2 m，综合考虑LiDAR点云本身的精度，该区域参考数据的绝对高程精度约0.25 m。该区域SLA03产品的绝对高程精度评价结果见表7，两波束激光的总体精度分别为(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m。ECP_Flag标记为1的高程精度分别为(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m，标记为2的高程精度分别为(-0.110±0.454)m、(0.024±0.501)m，能控制在0.5 m内，即ECP_Flag标记为1和2的可以作为高程控制点使用。

图9 德国北威州地区高分七号卫星激光测高数据分布示意Fig.9 Distribution map of laser elevation points in North Rhine-Westphalia of Germany

表7 德国北威州地区激光点绝对高程精度统计

4 总结与展望

本文针对高分七号卫星激光测高数据标准产品处理方法进行了研究，并综合采用定标区以及与定标区有一定时空差距的陕西、德国等区域进行产品精度验证。

(1) 经标准化测绘处理后，目前高分七号的激光精度能实现平地高程优于0.15 m的较高水平；其中定标区平面精度优于5.0 m，高程优于0.10 m。

(2) 验证区的激光点高程精度随地形地物影响存在一定差异，其中陕西区两个波束的总体测高精度分别为(-0.113±2.519)m和(0.191±1.071)m，德国北威州的总体测高精度分别为(-0.897±5.485)m和(-0.202±6.207)m。

(3) 高分七号卫星两波束激光经质量控制后，在陕西华阴验证区ECP_Flag标记为1的激光点高程精度分别为(0.111±0.152)m和(-0.064±0.115)m，德国北威州验证区ECP_Flag标记为1的激光点高程精度分别为(-0.304±0.190)m和(-0.279±0.220)m。这两个区域标记为2的激光点高程精度波束1分别为(0.246±0.229)m和(-0.110±0.454)m，波束2分别为(0.122±0.269)m和(0.024±0.501)m。说明通过质量控制标记ECP_Flag，可以将精度优于0.5 m能用作高程控制的点进行有效识别，标记为1和2的均能用作高程控制点，其中标记为1的精度更高，其中陕西华阴验证区优于0.15 m、德国北威州验证区优于0.3 m。

在资源三号02星试验性激光测高的基础上，高分七号虽然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业务化应用的对地观测激光测高仪，进一步实现了我国卫星激光测高技术的重大进步。与国外同类型的ICESat/GLAS全波形激光测高相比，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应用场景多样性方面还有一定差距。此外，高分七号激光足印影像还存在分辨率偏低、辐射质量不稳定，在大角度侧摆下几何精度下降等问题。在肯定进步的同时，我们也需要正视问题，进一步创新，深入挖掘国产卫星激光测高的精度潜力、应用潜力，同时要加快推动陆海激光卫星的预研攻关[25-26]，争取早日发射国产首颗专业型号的激光测高卫星，在测绘、极地、林业、水利等多个行业实现规模化应用。