對地觀測衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)處理方法與工程實踐

李國元

1. 國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，北京 100048； 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023

隨著對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星激光測高逐漸受到重視。2016年5月30日，資源三號02星成功發(fā)射，搭載了國內(nèi)首臺對地觀測激光測高載荷，主要用于探索高程控制點數(shù)據(jù)獲取以及提高光學(xué)衛(wèi)星影像無地面控制高程精度的可行性。針對我國自主研發(fā)的衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)開展研究非常迫切，論文在衛(wèi)星激光測高嚴(yán)密幾何模型構(gòu)建、高精度在軌幾何檢校、激光高程控制點自動提取以及在航天攝影測量中的應(yīng)用等方面開展研究，主要內(nèi)容和結(jié)果如下：

(1) 總結(jié)了目前國內(nèi)外激光測高系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對衛(wèi)星雷達(dá)測高、衛(wèi)星激光測距及衛(wèi)星激光測高三種不同的技術(shù)進(jìn)行了對比分析，凸現(xiàn)了衛(wèi)星激光測高領(lǐng)域的特點與價值。對衛(wèi)星激光測高的基本原理進(jìn)行了歸納和定義，重點研究并構(gòu)建了嚴(yán)密幾何模型，分析了硬件誤差、地形起伏、大氣折射、光行差等幾個主要誤差源，修正了GLAS對大氣折射改正引起的平面位置偏差分析的不足，推導(dǎo)了資源三號02星激光測高的理論精度。

(2) 研究了衛(wèi)星激光測高儀在軌幾何檢校算法，提出了“兩步法”激光測高儀在軌幾何檢校方法，采用先驗地形數(shù)據(jù)進(jìn)行粗檢校，利用地面探測器進(jìn)行精檢校。重點研究和分析了基于地形匹配的激光指向角粗檢校算法，通過GLAS的模擬試驗結(jié)果論證了該方法的正確性，結(jié)合資源三號02星激光測高儀幾何檢校的實際需求，開展了具體的幾何檢校解算工作，將02星激光測高足印點的平面精度從8.0 km多提高到15.0 m，高程精度從90 m提高到平坦地區(qū)優(yōu)于1.0 m，其中少部分激光點高程精度優(yōu)于0.5 m。

(3) 研究了衛(wèi)星激光廣義高程控制點的提取算法，提出了一種多參數(shù)多準(zhǔn)則約束的自動篩選方法，利用已有的公開的SRTM、AW3D30等全球地形數(shù)據(jù)，結(jié)合云量、飽和度、反射率、信噪比等激光測距屬性參數(shù)以及回波波形特征參數(shù)，通過設(shè)定一定的閾值確保篩選后的激光點能作為廣義高程控制點使用，天津和太原地區(qū)的試驗結(jié)果表明篩選后的GLAS點絕對高程精度優(yōu)于1.0 m，且近一半的點優(yōu)于0.5 m；分析了資源三號02星激光高程控制點的篩選結(jié)果，雖然沒有波形數(shù)據(jù)，但利用AW3D30能確保篩選后，在平坦地區(qū)的資源三號02星激光足印點能作為高程控制點使用，華北某試驗區(qū)篩選后的絕對高程精度優(yōu)于1.0 m。

(4) 研究了衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)與光學(xué)立體影像聯(lián)合處理方法，完善了基于嚴(yán)密成像模型和有理函數(shù)模型的兩種聯(lián)合平差方法，分析了同平臺和不同平臺或不同時相的衛(wèi)星激光與影像數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗證了加入衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)約束后能有效提升資源三號立體影像的無控高程精度，無論是聯(lián)合GLAS還是02星的激光測高數(shù)據(jù)，均能到優(yōu)于3.0 m的水平，影像分辨率略有提升的02星在部分試驗區(qū)無控高程精度甚至能達(dá)到2.0 m的精度。

(5) 探討了國產(chǎn)對地觀測衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級體系，自主開發(fā)了衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用軟件系統(tǒng)，并在GLAS、資源三號02星激光測高數(shù)據(jù)處理以及全球測圖工程中進(jìn)行了應(yīng)用實踐。

論文的相關(guān)結(jié)論對于我國未來的高分七號、陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星等激光測高數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)化應(yīng)用具有借鑒意義和參考價值。