高分七号卫星激光测高数据大型湖泊水位测量精度评估

李国元，唐新明

1.自然资源部国土卫星遥感应用中心,北京100048;

2.江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心,南京210023

1 引 言

中国湖泊数量众多、类型多样、资源丰富、生态环境脆弱，广泛分布在青藏高原、云贵高原、蒙新高原、东北平原、东部平原等五大湖区。据第二次全国湖泊调查统计，中国面积大于1 km2的湖泊共有2693个，总面积为81414.66 km2，约占全国总面积的0.85%，其中超过一半位于青藏高原区域（中国科学院南京地理与湖泊研究所，2019；Zhang 等，2019a）。湖泊水位对气候变化和人类活动的响应非常敏感，是湖泊动态变化监测的一个重要内容（Vörösmarty 等，2000）。传统的湖泊水位获取方式是通过地面水文监测站，虽然具有测量精度高、观测频次连续等优点，但也存在因地域及成本问题无法大规模建立水文站的问题，卫星遥感在湖泊水位监测方面具有重要的应用价值（金建文等，2020）。

近年来，对分布在环境恶劣的青藏高原或者偏远地区的大型湖泊，卫星测高技术因其独特的优势而受到广泛的关注（李建成等，2007；高永刚等，2008；Michailovsky 等，2012；Kleinherenbrink 等，2014；赵云等，2017；田山川等，2018；廖静娟等，2018）。相比于卫星雷达测高（廖静娟，2020），卫星激光测高的地面足印更小，且受湖岸及波浪干扰概率更低，在湖库水面测高方面更具有优势（李国元，2017；葛莉 等，2017；Phan等，2012；Song 等，2015；Zhang 等，2019b）。国内外学者利用2003年—2009年的ICESat（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）卫星的GLAS （Geoscience Laser Altimetry System）激光测高数据开展了长江中下游湖泊水位监测（吴红波等，2012）、青藏高原154个湖泊的水位变化（Phan等，2012）、中国十大湖泊水量变化（Zhang 等，2013）、青海湖2003年—2009年面积及蓄水量变化（杨雄丹等，2020）等具体应用研究。针对2018年美国发射成功的全球生态动力学调查系统GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）多波束激光测高数据（谢栋平等，2018），用瑞士8 个天然湖泊的水位实测数据评估其在湖泊水位测量中的性能，发现GEDI 测量湖泊水位的精度在0.15—0.32 m，具有水位监测应用潜力（Fayad 等，2020）。清华大学宫鹏教授团队结合雷达测高卫星SARAL（Satellite for ARgos and ALtika） 和ICESat （Ice，Cloud and land Elevation Satellite）卫星，从测量精度、时间频次以及覆盖能力等3个角度进行对比分析，证明了2018年的新型激光测高卫星ICESat-2在湖泊及水库水位测量方面具有明显优势（Yuan等，2020；谢栋平等，2020）。

由于之前国内没有高精度的对地观测卫星激光测高数据，因此利用国产卫星激光测高数据测量湖库水位的研究在国内基本为空白。2019-11-03成功发射的国产高分七号卫星装备了全波形线性体制的激光测高仪，在2016年资源三号02 星的试验性激光测高载荷数据处理技术基础上（李国元和唐新明，2017；李国元等，2019），实现了国内激光高程测量水平的新进步，但能否用于湖泊水位监测，湖泊水位的绝对测量精度如何，之前并没有相关研究分析。针对国产激光测高仪的特点，开展湖泊水位测量应用有哪些注意事项，这些都是需要进行研究探讨的问题。本文采用高分七号卫星激光测高数据，开展湖泊水位测量方面的精度评估，希望能对于后续国产激光测高卫星型号的发展与湖泊水位监测规模化应用提供一些参考。

2 国产高分七号卫星激光测高数据介绍

如前所述，美国先后发射了ICESat、ICESat-2以及GEDI，在卫星激光测高领域处于领先水平。特别是2018-09-15 成功发射的新一代的冰云陆地高程卫星ICESat-2 搭载了先进的地形激光测高系统ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System），采用6 波束的532 nm 激光脉冲，每波束的重复频率高达10 kHz、发散角约35 μrad，地面激光足印直径17.5 m，沿轨向点间距约0.7 m，在湖泊水位监测方面具有广阔应用价值（Yuan 等，2020）。近几年来，中国在该领域也取得了一定的进展，在资源三号02 星上首次实现了对地观测激光测高（李国元等，2017），高分七号卫星激光测高仪虽然重频率离国外先进水平还有一定差距，但在光斑直径等部分指标上优于国外同类卫星。表1列出了国内外对地观测卫星激光测高载荷的主要技术指标。

表1 国内外对地观测卫星激光测高载荷主要技术指标Table 1 Main technical parameters of laser altimeter loaded on earth observation satellite at home and abroad

高分七号卫星的两波束激光测高仪指向在近似天底点方向的垂轨平面内，并与天底点方向左右各成0.7°夹角，地面激光点沿轨向的间距约2.4 km、垂轨向约12 km，主要用于高精度的高程控制点获取，提高同平台两线阵影像的立体测图精度（Li 等，2020），详细技术参数如表2 所示。

表2 高分七号卫星激光测高仪基本参数Table 2 The basic parameters of GF-7 Satellite Laser Altimeter

高分七号卫星的激光测高仪虽然重频率偏低，主要用于高程控制点获取，但仍然有部分数据正好落在大型湖泊和水库上，能用于水位测量等应用，如图1所示，红圈代表经在轨几何定标确认的激光实际落点位置。

图1 高分七号卫星激光测高数据水体区域足印影像及回波波形Fig.1 The footprint image and echo waveform of GF-7 satellite laser altimetry data located on the water

3 方法与试验

3.1 水位测量精度影响分析

采用卫星激光测高数据进行湖泊水位测量及变化监测，对激光点的高程测量精度和可靠性要求特别高。卫星侧摆、大气散射以及波形饱和等对湖面上的激光点高程精度有明显的影响，必须对激光点进行质量控制，保留精度较高的点，并利用多点落在同一湖泊上进一步提高水位测量的精度和可靠性。

3.1.1 侧摆对水位测量精度的影响

地面上激光点高程反映的是特定平面位置上的高程值，当卫星无侧摆、激光完全垂直指向地面时，绝对平坦地区激光测高精度主要取决于测距精度。在卫星侧摆情况下，平面位置偏差也会影响激光测高精度，有一定坡度区域的测高精度退化会更加明显。如图2 所示，卫星轨道高度近似为H，卫星侧摆下激光指向角为θ，激光指向角测量精度为Δθ，地形坡度为S，因卫星侧摆和地形起伏引起的高程误差Δh近似为式（1）（李国元等，2019）。

图2 侧摆和地形起伏引起激光点误差示意图Fig.2 The illustration of location error introduced by the sway and topographic relief

当卫星在500 km 轨道高度时，指向角测量误差与激光点平面和高程测量误差的对应关系如表3所示。地形坡度S=0°，指向角θ=1°时，1″的指向测量误差约引起0.042 m 的高程偏差。叠加姿态测量误差后，目前高分七号卫星激光测高仪的绝对指向测量精度约2.5″，卫星轨道高度为500 km 时对应地面点的平面精度约6.0 m。在无风的平静湖泊水库表面，其坡度可近似为0°，此时基于式（1），侧摆角为1°时，高程误差约0.106 m；侧摆角为2°时，高程误差约0.212 m；若水面因风浪等影响有一定小坡度，则侧摆时高程测量精度会进一步下降。在同样的指向角测量误差下，卫星侧摆越大，激光点的高程测量误差越大。因此，为了保证水面高程测量精度，应选择侧摆角较小时的数据，考虑到高分七号卫星本身具有左右0.7°的安装角，本文建议选择卫星侧摆小于0.3°的激光测高数据用于湖泊水位测量。

表3 指向角测量误差与激光点精度对应表Table 3 The corresponding table of laser points accuracy and pointing measurement error

3.1.2 大气散射对水位测量精度的影响

激光传输路径上的云、气溶胶等除对激光能量有衰减外，还会因散射产生距离向的延迟效应，进而影响最终的高程测量精度。大气散射对激光测量精度的影响主要与云层高度、厚度、云相态，气溶胶厚度等因素相关，李国元等（2020）较详细地分析了大气散射对激光测高精度的影响，湖泊水面的点受大气散射影响，其测高精度会有明显退化。目前从高分七号激光实际回波波形中难以直接识别是否受大气散射影响，但足印影像中记录了激光落点附近是否有云雾影响，可作为大气散射影响的一个参考，以提高湖泊水位测量精度。

3.1.3 回波波形饱和

卫星发射激光脉冲到达湖面然后返回的过程中，因镜面反射或湖面结冰形成强反射，可能产生耀斑效应，此时回波波形易产生饱和，进而影响激光点的高程测量精度。图3为高分七号卫星在呼伦湖上一个回波波形发生饱和的激光点，该点主要是由于湖面结冰后对1064 nm 的激光有较高的反射率并叠加镜面反射引起的。

图3 回波波形出现饱和的湖面激光点Fig.3 The laser point located on the lake with saturation waveform

3.2 高分七号卫星湖泊水面激光点提取方法

本文提出一种面向高分七号卫星激光测高数据的大型湖泊水面激光点提取方法，该方法首先基于湖泊边界矢量数据HydroLAKES（Messager等，2016），结合激光点的经纬度位置信息，初步判断哪些激光点落在湖泊上。考虑湖泊边界矢量数据的本身误差以及湖泊边界季节性变化，进一步结合激光点在足印影像上的落点位置，剔除湖岸交界处判别为水面但实际落在陆地上的错误点。对于湖岸交界处判别为陆地上的点，可借助足印影像提取实际落在水面但被漏判的激光点，增加落在湖面上的激光点数量。结合激光点的回波波峰数、回波脉宽、回波波形信噪比、落在同一湖面上的点数等，对高分七号卫星激光测高数据进行筛选，具体流程如图4所示。

图4 高分七号卫星湖泊水面激光点提取流程图Fig.4 The workflow of extracting the GF-7 laser points on the lake

对于沿卫星轨道（南北向）较大的湖泊水库，如果有多个激光点落在同一个水面，则结合多点的平均值和标准偏差，借助粗差剔除法去掉高程存在较大偏差的激光点。中位数绝对偏差方法具有很强的粗差探测能力，可以有效识别湖泊水位高程异常值，其粗差探测计算方法如式（2）和（3）所示。

式中，a1，…，an是沿轨高程序列，M是高程序列中位数；Houtlier是高程粗差值。

3.3 精度分析

3.3.1 与ICESat和ICESat-2数据对比分析

本文取青海湖面2008-10-05 的ICESat 和2020-09-28的高分七号及ICESat-2卫星激光数据，其分布如图5所示。

图5 青海湖区域的GF-7和ICESat/ICESat-2卫星激光测高点Fig.5 The distribution of GF-7 and ICESat/ICESat-2 laser altimetry points located on Qinghai Lake

由于高分七号卫星和ICESat-2 激光点基准为WGS84 椭球下的大地高，而ICESat 激光点采用TOPEX/Poseidon（T/P）卫星椭球下的大地高，因此需要将三者的高程基准进行统一。首先将ICESat 激光点高程归算到WGS84 大地高，然后采用EGM2008 大地水准面改正模型统一对3 种卫星激光点进行基准转换，如式（4）所示。

式中，H为大地水准面高，Hg为激光点在T/P椭球下的大地高，ξ为采用EGM2008 模型计算的大地水准面改正值。Δh为T/P 和WGS84 两个椭球间的差距，Δh= -cos2BΔa- sin2BΔb，其中B为纬度，Δa、Δb为两个参考椭球长轴、短轴之间的差值。

ICESat/GLAS 数据也采用了线性体制的全波形采样记录模式，跟高分七号激光数据有一定的可比性，但考虑到两个卫星时间间隔较远、没有重复观测的湖面数据，因此主要对比分析了两者的内部一致性。ICESat-2 则与高分七号在2020-09-28 同一天经过青海湖，理论上湖面高程应该具有一致性，因此对两者进行了绝对高程精度对比分析。统计在同轨内连续多个激光点高程的标准偏差，除高分七号激光点进行筛选外，ICESat 和ICESat-2 的激光点也采用了前述3.2 节中的中位数绝对偏差方法进行了粗差点剔除，三者的对比结果如表4所示。

表4 青海湖ICESat和高分七号卫星激光点高程精度对比Table 4 Elevation accuracy comparison of ICESat and GF-7 laser points located on the Qinghai Lake

从表4可以看出，高重频的光子体制的ICESat-2在湖面的内部一致性最优，达到了0.045 m；ICESat和高分七号同为全波形线性体制，内部一致性分别为0.079 m、0.051 m 和0.080 m，两者水平基本相当，其中高分七号的波束1略优。此外，同一天经过青海湖的高分七号和ICESat-2 在绝对高程精度方面，高分七号的波束1 与ICESat-2 分别为3197.733 m和3197.798 m，相差仅6.5 cm，但波束2与波束1、ICESat-2 分别相差17 cm 和23.5 cm，与文献（Li等，2020）中波束2的质量稍差的结论基本一致。

考虑到上述青海湖区高分七号与ICESat-2 虽然在一个湖区但地理位置相差较远，因此选取时间相近经过同一湖泊且激光落点位置相近的哈拉湖的ICESat-2 和高分七号卫星激光测高数据，进一步对比验证高分七号激光点的精度及水位测量能力。如图6所示，绿色和红色分别代表高分七号和ICESat-2 于2020-06-26、2020-06-18 日经过哈拉湖区的激光点，对比结果如表5所示。

图6 哈拉湖区的高分七号和ICESat-2激光点分布示意图Fig.6 The distribution of GF-7 and ICESat-2 laser altimetry points located on the Hala Lake

从表5中可以看出，哈拉湖区的高分七号激光点较为稀疏，但内部一致性较好，两波束激光高程偏差分别为3.5 cm 和6.2 cm，高分七号波束1 与ICESat-2的多波束的高程偏差基本接近，波束2略差但稍好于ICESat-2弱波束gt2R的高程偏差9.3 cm。取ICESat-2的多波束平均值4081.876 m作为参考值，高分七号的两个波束与该值的较差分别为：-5.2 cm和-8.0 cm。

表5 哈拉湖面高分七号和ICESat-2卫星激光高程精度对比表Table 5 The accuracy comparison of GF-7 and ICESat-2 laser altimetry points located on the Hala Lake

3.3.2 绝对测量精度验证

为了验证高分七号卫星在湖泊表面的绝对测量精度，选取冬季结冰后的北方湖泊，结合高分七号激光的落点位置，用RTK-GPS 的测量方式实地采集了若干个湖面高程值，其中RTK-GPS 实地测量的绝对高程测量精度优于3 cm。图7（a）展示的是高分七号第6252和6329轨分别于2020-12-18和2020-12-23经过内蒙古呼伦湖区的激光点轨迹，由于为夜间升轨开机，无法获取同期的影像，当地气象记录显示呼伦湖在该时段已经全部结冰。图7（b）为2021-02 湖面冰冻实后外业实地测量时按激光落点位置在冰面放置的GPS 接收机，其中激光落点平面误差优于6.0 m （李国元等，2021）。

图7 呼伦湖面高分七号激光点及实地测量照片Fig.7 GF-7 laser points located on the Hulun Lake and the field surveying photo

由于高分七号激光点的间距较大，如果深入湖中心进行实地测量，交通和安全保障都有一定难度，因此最终选取了靠近湖岸且冰面平坦、波形没有饱和的6个激光点，统计绝对高程误差，结果如表6 所示。表6 中高程误差均为负值，即激光点高程计算值比实测值偏低，特别是波束2，有可能包含了因测量时间不一致导致冰面膨胀而产生的部分误差。

表6 高分七号激光点湖面高程绝对精度统计表Table 6 The absolute elevation accuracy statistical result of GF-7 laser points located on the Hulun Lake

4 结 论

作为中国首台业务化应用的对地观测激光测高仪，虽然其主要用途是获取高程控制点，辅助立体影像进行高精度测图，但开展高分七号卫星激光测高数据在大型湖库水位测量方面的应用实践具有重要的科研和应用价值。通过本文的试验，可以得出如下结论：

（1）高分七号卫星激光测高仪能有效获取大型湖泊的水位值，经实地测量评价两波束的绝对高程精度分别为：-0.030 m±0.109 m 和-0.195 m±0.049 m，波束2的绝对精度比波束1稍差一些。

（2）与ICESat 卫星在青海湖面的激光点相比，高分七号卫星激光点湖面高程内部一致性相当，高分七号两波束的湖面高程标准偏差分别为0.056 m和0.080 m，ICESat 为0.079 m，其中高分七号的波束1指标略优。

（3）与ICESat-2 卫星对比，高分七号卫星的湖面点显得更为稀疏，相邻时间的哈拉湖同一湖面的高分七号两个波束与ICESat-2 的绝对高程均值相差分别为-5.2 cm和-8.0 cm。

（4）在卫星侧摆时其精度有较大退化，激光指向角大于1°时额外引入的高程误差会超过0.106 m，建议为保证大型湖库水位测量精度，应使用侧摆角小于0.3°的数据。同时应综合考虑大气散射、湖岸分界、波形饱和等其他因素的影响，确保激光点的可靠性和精度。

卫星激光测高因其具有较高的高程测量精度及较小的足印直径，在大型湖泊和水库水位测量方面具有独特的优势。为保证能有效测量湖泊水位值，至少需要3个有效的激光点落在同一湖面上形成交叉验证，而高分七号的激光点间距相对较大约2.4 km，导致目前仅能测量南北向长度大于7.2 km的湖泊，在水位测量方面的规模化应用还受到一定限制。

本文的研究结论说明，利用国产高分七号卫星激光测高仪测量大型湖泊水位值从技术上是可行的、验证区的精度基本跟国外的相当，但因激光重频率偏低导致规模化应用还比较困难，若开展长周期变化监测则对激光的重频率、卫星的覆盖和重访能力提出了更高要求，需在后续卫星论证过程中对相关参数进行优化设计，实现最佳应用效果。未来随着国产陆海激光测量卫星以及新型激光三维成像卫星的立项与发射（唐新明和李国元，2019），必能最终实现快速、精确、长周期地掌握湖泊和水库的水位及变化信息，为水资源调查监测、生态文明建设以及应对全球气候变化提供更有力的支撑。

志 谢本文在呼伦湖面高分七号激光点实测数据得到了黑龙江测绘地理信息局的朱李忠、刘沼辉、韩慧军等外业测量人员的支持，在此表示感谢。