ICESat/GLAS水面回波波形分析及判定

(蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，蘇州 215104)

1 研究背景

2003年美國宇航局發(fā)射了攜帶地學(xué)激光測高系統(tǒng)GLAS (Geoscience Laser Altimeter System)的ICESat (Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite) 衛(wèi)星，其主要任務(wù)是對極地進(jìn)行研究，并可提供全球海洋和陸地測高數(shù)據(jù)，近年來也有不少應(yīng)用于湖泊、河流等內(nèi)陸水體的水位變化監(jiān)測的案例[1]。正確提取ICESat/GLAS在水面上的數(shù)據(jù)對于監(jiān)測內(nèi)陸水體變化以及海冰覆蓋區(qū)域的海面高確定都有重要的意義，可以通過回波波形特征進(jìn)行判別，例如Kwok等[2-4]根據(jù)反射率在北極海冰覆蓋區(qū)辨別ICESat海面觀測值，Wang等[5-6]則結(jié)合ICESat回波波形參數(shù)和測高數(shù)據(jù)得到了辨識內(nèi)陸水體的有效方法。但是上述研究都是將回波波形特征與高程數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行判斷，且沒有考慮波形飽和以及大氣前向散射對波形參數(shù)的影響。

本文將通過對水面回波波形特征的分析，在考慮系統(tǒng)誤差的情況下，得到單獨通過回波特征辨別平靜水面的方法。

2 水面回波特征分析

激光測高儀是通過測量激光脈沖從衛(wèi)星發(fā)射到地球表面經(jīng)反射后返回接收機(jī)的傳播時間進(jìn)行測距的。對于GLAS系統(tǒng)發(fā)射的高斯型脈沖激光，經(jīng)漫射面反射后應(yīng)該仍然是高斯型的脈沖，只是回波的波形發(fā)生了變化。如果不考慮儀器狀態(tài)、大氣散射等誤差影響，回波波形變化主要取決于反射面的物理性質(zhì)，如反射率、粗糙度和高程分布等。

對于平靜的水面來說，在沒有嚴(yán)重的波形飽和與大氣前向散射的情況下，返回的脈沖激光應(yīng)該是一個比較理想的高斯型回波，并且由于水面具有反射率低、光滑、高程一致的特點，其回波通常表現(xiàn)為單波峰、低能量、低脈沖展寬的高斯波，并且相比于粗糙的地面回波具有更好的波形對稱性和峰態(tài)。因此這些參數(shù)可以作為識別水面回波特征的參數(shù)。這些參數(shù)在ICESat產(chǎn)品中的參數(shù)名如表1所示，其中回波波形的反射率是由反射波和發(fā)射波能量的比值計算的，脈沖寬度則由i_SigBegOff和i_SigEndOff兩項參數(shù)的差值進(jìn)行計算[5]。

表1 ICESat回波識別參數(shù)Table 1 Parameters of ICESat for echo recognition

這些參數(shù)在一般情況下，都能表現(xiàn)出比較典型的特征，但在一些特殊情況下則會發(fā)生變化。例如，當(dāng)GLAS接收到的脈沖回波振幅超過接收器所能探測的最大值時，回波的波峰頂端會被“削平”，全部按照探測最大值進(jìn)行表示，導(dǎo)致估算的激光傳播時間延遲，造成測高數(shù)據(jù)偏低[1]。這種現(xiàn)象被稱為波形飽和，此時激光回波表現(xiàn)出過大的反射率(嚴(yán)重時可能會>1)和脈寬，并使波形后延迅速下降且產(chǎn)生震蕩[2]。又如，嚴(yán)重的大氣前向散射會減小回波的能量，使得反射面表現(xiàn)出過低的反射率[7]，并造成回波波形產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致計算的回波接收時間延遲，測高值偏低。

對于上述2個主要的誤差源，嚴(yán)重飽和波形可能引起1 m左右的誤差，大氣前向散射的影響則相對較小。ICESat數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供了針對波形飽和的高程改正和能量改正，在波形飽和不嚴(yán)重的情況下可以很好地恢復(fù)高程數(shù)據(jù)，而對于大氣前向散射，目前仍沒有有效的手段對其進(jìn)行改正。

3 數(shù)據(jù)分析

為對ICESat在水面的回波特性進(jìn)行分析，本文選取了2003年2月至2009年10月期間ICESat在青海湖、興凱湖和太湖上空獲取的數(shù)據(jù)，如圖1及表2所示。其中i_satElevCorr不可用的觀測值已被剔除，這是因為在沒有i_satElevCorr的情況下，無法得到正確的高程數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)據(jù)分布示意圖Fig.1 Spatial distribution of selected data

湖泊軌跡數(shù)觀測值數(shù)青海湖4511 156興凱湖2210 037太湖102 676總計7723 869

3.1 水面回波的波峰數(shù)和反射率

反射率是區(qū)分水面與其他類型表面的重要物理參數(shù)，在沒有波形飽和和大氣前向散射影響時，通過i_reflectUC可以有效地識別出水面。但是在容易發(fā)生鏡面反射的平靜水面上，波形飽和現(xiàn)象是很常見的[8]，受波形飽和的影響，i_reflectUC會明顯增大，甚至造成i_reflectUC無法計算。另外，嚴(yán)重的大氣散射導(dǎo)致回波能量過低時也會使i_reflectUC無法計算。

如圖2所示，本文選取了3個湖泊的GLAS回波反射率的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，圖中的NA表示i_reflectUC不可用，在3個湖泊的觀測值中都占有一定的比例。因此，相比于直接將i_reflectUC作為識別水面回波的標(biāo)準(zhǔn)，本文更傾向于將反射率作為觀測值分類的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 水面回波脈反射率分布Fig.2 Distribution of reflectivity of received pulse from water

根據(jù)激光反射的特性，典型的水面回波的波峰數(shù)應(yīng)為1。本文采用的23 869個水面觀測值中，波峰數(shù)為1的觀測值數(shù)量為23 774個，占總數(shù)的99.6%。

3.2 其他水面回波波形參數(shù)分析

圖3展示了水面回波的脈沖寬度以及峰態(tài)、偏度隨反射率的變化，圖中橫坐標(biāo)NA1，NA2處分別表示因返回能量過低和波形飽和嚴(yán)重而造成的反射率i_reflectUC不可用的數(shù)據(jù)。

從圖3(a)可以看出，大多數(shù)觀測值都集中在6 m以內(nèi)的脈沖寬度范圍以及2以下的反射率范圍，峰態(tài)主要分布在-2～4的區(qū)間，而偏度則集中在-1.5～1的區(qū)間內(nèi)。

圖3 水面回波脈沖寬度、波形峰態(tài)、偏度隨反射率的變化Fig.3 Variations of pulse width, Kurtosis and skewness of received pulse against reflectivity

反射率較大的“異?！庇^測值，脈沖寬度也明顯增大，而峰態(tài)和偏度則出現(xiàn)收斂的趨勢。這是符合預(yù)期的，因為異常偏高的反射率主要是由于波形飽和引起的，因此使波形參數(shù)出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)性變化。波形飽和的直接影響是使回波波形頂端被“削平”，并使波形后延迅速下降，因而造成脈沖寬度增加、波形略向左偏(即偏度<0)以及峰態(tài)趨于一致。

當(dāng)i_reflectUC不可用時，由于產(chǎn)生原因的不同，波形參數(shù)也明顯表現(xiàn)出不同的特點。其中回波能量過低的情況下(NA1)，由于過低的信噪比，大部分回波信號都被淹沒在背景噪聲中無法識別，因此識別出的波形的振幅和脈寬都非常小，波峰平坦(峰態(tài)較小)。波形飽和嚴(yán)重的情況下(NA2)，波形參數(shù)的特征則與其他受波形飽和影響的波形特征類似，只是由于飽和程度更嚴(yán)重，造成數(shù)據(jù)分布的不確定性更高。

4 水面回波判定準(zhǔn)則及實例檢驗

通過對青海湖、興凱湖、太湖的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文得到了如表3所示的判別水面回波的準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則通過反射率和波形飽和能量改正的數(shù)值,將反射回波分為5類(由Ⅰ至Ⅴ反射波能量依次減弱)，并給出了這5種情況下水面回波的脈沖寬度、峰態(tài)以及偏度的取值。以此為準(zhǔn)則對本文選用的23 869個數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，結(jié)果顯示有23 046個數(shù)據(jù)被判定為水面回波，即有96.55%的水面回波數(shù)據(jù)通過了檢驗，這說明這種判定方法較為準(zhǔn)確，不會將過多的水面回波數(shù)據(jù)誤判為非水面回波數(shù)據(jù)。

表3 水面回波波形判別準(zhǔn)則Table 3 Criterion of identifying echo pulse from water

為進(jìn)一步驗證該準(zhǔn)則對于其他地區(qū)水面的適用性，本文選取了ICESat經(jīng)過美國蘇必利爾湖上空的2條軌跡，如圖4所示，時間分別為2004年5月18日(a)和6月2日(b)。

圖4 用于測試水面識別方法的ICESat軌跡Fig.4 ICESat tracks for testing the method of identifying echo pulse from water

2條軌跡在陸地和湖面上的長度大致相等。軌跡a共包含1 577個觀測值，其中蘇必利爾湖面的觀測值685個，且觀測條件較好，湖面回波反射率均<0.3；軌跡b共包含1 884個觀測值，其中蘇必利爾湖面觀測值873個，觀測條件較差，陸地和水面觀測值中均包含許多受波形飽和和大氣前向散射影響的觀測值。

用本文的方法對2條軌跡的觀測值進(jìn)行判斷,結(jié)果如表4所示，其中Na,Nr,Ns分別表示用本文的方法判斷出的回波總數(shù)、判斷正確的水面回波數(shù)量和判斷正確的蘇必利爾湖回波數(shù)量，Nsu表示通過衛(wèi)星影像確認(rèn)的蘇必利爾湖面的觀測數(shù)量。

通過表4的結(jié)果可以看出：① 判斷的成功率均在90%以上，僅有少量的陸地數(shù)據(jù)被錯誤地判斷為水面回波數(shù)據(jù)，說明本文的判斷準(zhǔn)則是有效的;② Nr> Nsu是因為該地區(qū)周邊分布著眾多面積較小的湖泊和河流，這些水面回波也被正確地判斷了出來，甚至一些僅有1個觀測值的小湖泊和河流也識別了出來(文中未給出)，這為我們從ICESat的海量數(shù)據(jù)中搜尋小面積水體的觀測值提供了可能。

表4 水面波形識別結(jié)果統(tǒng)計Table 4 Statistic of result of identifying echo pulsefrom water

5 結(jié) 語

通過對水面上ICESat回波波形特征的分析，本文得到了辨別水面回波的有效方法，根據(jù)不同區(qū)域的試驗結(jié)果，該方法對于平靜水面上的觀測值識別正確率在90%以上，且具有很高的準(zhǔn)確率。

這種方法的特點是不依賴于高程的判斷，并且考慮了波形飽和以及大氣前向散射對于波形特征的影響，因此在小面積水體的辨別上具有一定的優(yōu)勢，可以為內(nèi)陸水體監(jiān)測提供有效的支持和幫助。

海冰區(qū)的海水同樣具有面積小的特點，因此本文的方法可能對于在ICESat海冰數(shù)據(jù)中尋找海面測高數(shù)據(jù)具有一定幫助，但是由于海冰表面物理性質(zhì)與陸地不同，具體方法有待進(jìn)一步研究。