星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)研究

李彬彬，謝 歡，童小華，張志杰，2

（1.同濟(jì)大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，上海 200092；2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

早在20 世紀(jì)60年代，星載激光雷達(dá)就已被美國(guó)應(yīng)用于月面測(cè)距，并在隨后被應(yīng)用于火星、水星、小行星等行星表面高程探測(cè)。我國(guó)的“嫦娥一號(hào)”到“嫦娥三號(hào)”、日本的月亮女神探測(cè)器、印度的“月球初航-1”衛(wèi)星等也都搭載過用于測(cè)量月球表面地形的激光測(cè)高儀。而在對(duì)地觀測(cè)方面，除一些實(shí)驗(yàn)性的載荷之外，由美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的ICE?Sat 衛(wèi)星的激光測(cè)高儀GLAS 是全球第一個(gè)星載衛(wèi)星激光測(cè)高系統(tǒng)，目前已停止工作。作為其第二代衛(wèi)星，ICESat-2 衛(wèi)星［1］于2018年成功發(fā)射，目前處于測(cè)試標(biāo)定階段，在2019年對(duì)外正式發(fā)布數(shù)據(jù)。

ICESat/GLAS 的測(cè)高精度約為4～15 cm，工作期從2003—2009年，獲取了共計(jì)18 個(gè)任務(wù)期的激光測(cè)高數(shù)據(jù)［2-3］。其主要科學(xué)目標(biāo)為測(cè)量南北極冰蓋高程和海冰的變化、云和氣溶膠高度，以及地形和植被特征參數(shù)［4］。該衛(wèi)星通過激光器同時(shí)發(fā)射532 nm 和1 064 nm 兩個(gè)波段的激光，已廣泛應(yīng)用于極地冰蓋的高程精密監(jiān)測(cè)［5-8］、極地冰下湖活動(dòng)［9］、森林冠層提取［10-11］等。

我國(guó)除了2016年5 月發(fā)射的“資源三號(hào)02 星”搭載的試驗(yàn)性激光載荷之外，在“高分”系列衛(wèi)星中，尚有計(jì)劃于2019年發(fā)射“高分七號(hào)”（GF-7）衛(wèi)星。該衛(wèi)星是高分辨率立體測(cè)繪衛(wèi)星，其主要有效載荷包括立體測(cè)繪相機(jī)和激光測(cè)高儀（多波束，附帶足印相機(jī)等）等。本文在借鑒ICESat/GLAS 測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)GF-7 衛(wèi)星激光測(cè)高儀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)并展開測(cè)試，為GF-7 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的高精度幾何處理、地表高程和地物高度信息的精確提取及其變化監(jiān)測(cè)提供支撐技術(shù)。

1 星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)組成

星載激光測(cè)高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括了時(shí)間系統(tǒng)數(shù)據(jù)、激光系統(tǒng)數(shù)據(jù)、定軌系統(tǒng)數(shù)據(jù)、定姿系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及激光光束指向系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。以GLAS為例，星載晶體振蕩器和由星載GPS 設(shè)備測(cè)量解算出的GPS 時(shí)間信息，組成了主要的時(shí)間系統(tǒng)數(shù)據(jù)；激光發(fā)射器發(fā)射的1 064 nm 激光，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡、探測(cè)器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等設(shè)備處理后，生成了激光系統(tǒng)數(shù)據(jù)；星載GPS 設(shè)備測(cè)量和解算出的GPS 定位信息，在過境地面測(cè)站時(shí)與激光角反射器評(píng)估信息的共同作用下，可提供衛(wèi)星精確定軌數(shù)據(jù)［12］；星敏感器（In?strument Star Trackeer，IST）在獲得衛(wèi)星平臺(tái)相對(duì)于天球坐標(biāo)系的姿態(tài)數(shù)據(jù)后，結(jié)合慣性參考單元（Inertial Reference Unit，IRU）中陀螺儀（Hemisperi?cal Resonator Gyros，HRG）測(cè)量的數(shù)據(jù)，以及采用擴(kuò)展卡爾曼方法內(nèi)插，生成了衛(wèi)星定態(tài)數(shù)據(jù)；激光參考相機(jī)（Laser Reference Camera，LRC）和激光輪廓陣列（Laser Profiling Array，LPA）各自的激光光束成像、激光參考傳感器（Laser Reference Sensor，LRS）的觀測(cè)圖像、校準(zhǔn)參考源（Collimated Refer?ence Source，CRS）的輔助校準(zhǔn)以及姿態(tài)系統(tǒng)共同作用下，提供了激光光束指向系統(tǒng)數(shù)據(jù)［13-14］。而作為我國(guó)民用領(lǐng)域第一臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的星載激光測(cè)高GF-7 衛(wèi)星，其載荷數(shù)據(jù)還包括了足印相機(jī)和立體測(cè)繪相機(jī)的影像數(shù)據(jù)等。

伴隨著系統(tǒng)數(shù)據(jù)的生成，諸如儀器（主/備）使用情況、儀器屬性參數(shù)（如溫度、供電電壓等）以及星上處理生成這些數(shù)據(jù)所使用算法的輔助信息（如探測(cè)信號(hào)門限值、先驗(yàn)DEM等）都需要分析整理，以便在相應(yīng)的算法處理中作為參數(shù)值輸入或質(zhì)量標(biāo)簽依據(jù)。特別對(duì)于激光系統(tǒng)數(shù)據(jù)而言，由于激光脈沖在地球大氣層傳輸過程中，與大氣的氣體分子和大氣氣溶膠粒子、塵埃、霧、雨、雪等接觸而產(chǎn)生的測(cè)距誤差，以及因潮汐影響而導(dǎo)致的腳點(diǎn)定位誤差，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的大氣潮汐模型改正［15］。

綜上所述，星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)具有種類繁多、分散且數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，而衛(wèi)星激光測(cè)高的精度是衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)、軌道定位、姿態(tài)確定、激光指向、測(cè)距精度等關(guān)鍵要素共同作用的結(jié)果。因此，需要設(shè)計(jì)一套激光衛(wèi)星測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、評(píng)價(jià)、篩選及解算，最終形成可供應(yīng)用單位使用的激光數(shù)據(jù)產(chǎn)品體系。

2 星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在用戶界面中提供兩種數(shù)據(jù)處理模式，分別為對(duì)單條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析的主界面模式和對(duì)數(shù)據(jù)精細(xì)批量處理的批處理界面模式。而在算法處理上，則包含了4 個(gè)數(shù)據(jù)處理模塊，分別為1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊、2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊、3 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊和質(zhì)量控制處理模塊。其中，1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理生成激光測(cè)高產(chǎn)品，2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理生成激光波形產(chǎn)品，3 級(jí)激光處理生成激光定位產(chǎn)品。各級(jí)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，如發(fā)射波和回波信號(hào)是否過門限值標(biāo)志，回波信噪比、波形分解擬合等都伴隨各級(jí)激光數(shù)據(jù)處理后產(chǎn)生，而各級(jí)激光數(shù)據(jù)整體的質(zhì)量控制則由質(zhì)量控制處理模塊提供。

2.1 1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊

1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是對(duì)原始激光數(shù)據(jù)包進(jìn)行整理和初步分析，包括預(yù)處理、能量計(jì)算、衛(wèi)星軌道位置計(jì)算等，生成包括數(shù)據(jù)識(shí)別號(hào)（ID）、發(fā)射波能量、回波（最大峰值、全波）能量和衛(wèi)星軌道位置等激光測(cè)高產(chǎn)品。

圖1 總體設(shè)計(jì)Fig.1 General design of the system

2.2 2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊

2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是對(duì)經(jīng)過1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊后的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括發(fā)射波表征［15］、回波平滑濾波［15-16］、回波高斯分解［15］、波形參數(shù)提?。?7-21］等，生成包括發(fā)射波表征參數(shù)、回波高斯分解結(jié)果、波形參數(shù)（主要包括波形全高、波形長(zhǎng)度、波峰長(zhǎng)度和半波能量高等）等激光波形產(chǎn)品。

2.3 3 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊

3 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊的功能主要是圍繞激光地面腳點(diǎn)定位的計(jì)算，即對(duì)經(jīng)過2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊處理后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行包括激光到達(dá)地面點(diǎn)的初始距離計(jì)算［15］、初始激光地面腳點(diǎn)定位［13，22-24］、大氣改正［25］和潮汐改正［26］等，生成包括初始距離、激光地面腳點(diǎn)定位的三維坐標(biāo)值、大氣改正值和潮汐改正值等激光定位產(chǎn)品，主要處理流程如圖2所示。

圖2 激光地面腳點(diǎn)定位主要處理流程Fig.2 Main processing flow of the laser ground footprint positioning

2.4 質(zhì)量控制處理模塊

質(zhì)量控制處理模塊主要是針對(duì)時(shí)間段內(nèi)（或沿軌距離內(nèi)）的激光數(shù)據(jù)集進(jìn)行整體的數(shù)據(jù)產(chǎn)品綜合評(píng)價(jià)。該處理模塊在兩種用戶界面交互中，只由批處理界面所調(diào)用并產(chǎn)生相應(yīng)的質(zhì)量控制文件。內(nèi)容上主要包括檢測(cè)各類數(shù)據(jù)（如波形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、輔助信息數(shù)據(jù)等）的缺失情況，以及統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)信息值（如時(shí)間信息、衛(wèi)星位置信息、波形相關(guān)屬性信息等）。通過該模塊生成的質(zhì)量控制文件，可以更加全面地分析某段時(shí)間內(nèi)的激光數(shù)據(jù)，并依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用質(zhì)量需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。

3 星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)性能測(cè)試

打開程序，將顯示程序的主界面，如圖3 所示。通過導(dǎo)入星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)，將可以開始對(duì)數(shù)據(jù)展開逐級(jí)數(shù)據(jù)模塊處理和分析。為此，程序?yàn)橹鸺?jí)數(shù)據(jù)處理模塊的處理結(jié)果提供4 種不同的顯示視圖，分別為波形視圖、地圖視圖、影像視圖及分析視圖。其中，波形視圖專門為波形的各類處理結(jié)果提供波形數(shù)據(jù)顯示，地圖視圖專門為衛(wèi)星軌道位置及激光腳點(diǎn)定位在世界地圖范圍內(nèi)提供位置顯示，影像視圖專門為足印相機(jī)等各類輔助分析的影像提供影像顯示，分析視圖則是為所有文本形式的處理結(jié)果提供文本顯示。

圖3 軟件主界面Fig.3 Main interface of the software

作為軟件運(yùn)行測(cè)試?yán)?，本文選用模擬數(shù)據(jù)中某條數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行分析。圖4 顯示了該條數(shù)據(jù)記錄經(jīng)過3 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊后的主要分析結(jié)果，包括地面數(shù)據(jù)包中足印相機(jī)影像在影像視圖中的顯示，1 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊中衛(wèi)星位置計(jì)算在分析視圖中的結(jié)果，2 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊中對(duì)波形進(jìn)行平滑濾波及高斯分解后在波形視圖中的結(jié)果，以及3 級(jí)激光數(shù)據(jù)處理模塊中腳點(diǎn)定位計(jì)算后在地圖視圖中的顯示結(jié)果。

作為另一種用戶界面交互模式，批處理界面向用戶提供了4 個(gè)參數(shù)輸入子模塊，以及信息總覽子模塊，如圖5 所示。

圖5 批處理界面Fig.5 Interface of batch processing

4 個(gè)參數(shù)輸入子模塊分別為文件導(dǎo)入子模塊、波形分析子模塊、腳點(diǎn)定位子模塊、誤差修正子模塊。用戶導(dǎo)入數(shù)據(jù)由文件導(dǎo)入子模塊提供入口。由于1 級(jí)激光處理模塊的參數(shù)主要為儀器屬性參數(shù)，因此，不對(duì)用戶開放。2 級(jí)激光處理模塊中的平滑濾波方法及濾波窗口大小的旋轉(zhuǎn)對(duì)用戶開放，由波形分析子模塊中提供入口。3 級(jí)激光處理模塊中的激光腳點(diǎn)定位涉及的J2000 轉(zhuǎn)WGS84 矩陣數(shù)據(jù)文件路徑由腳點(diǎn)定位子模塊提供入口，大氣改正數(shù)據(jù)文件路徑及潮汐改正數(shù)據(jù)文件路徑由誤差修正子模塊提供入口。信息總覽子模塊對(duì)用戶在前4 個(gè)子模塊中的輸入?yún)?shù)總信息匯總，方便用戶對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行整體檢查確認(rèn)。經(jīng)過批處理界面處理的數(shù)據(jù)將生成對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品文件和質(zhì)量控制文件。其中，產(chǎn)品文件中每一條記錄的內(nèi)容形式與主界面處理后的內(nèi)容形式相同，質(zhì)量控制文件為文本格式。

目前，由于GF-7 號(hào)尚未發(fā)射，其實(shí)際激光測(cè)高精度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。在星載激光測(cè)高仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，當(dāng)衛(wèi)星軌道高度為500 km，激光地面腳點(diǎn)位于平坦地區(qū)（坡度小于3°），指向角誤差小于10 μrad，并且其他誤差項(xiàng)（硬件系統(tǒng)誤差項(xiàng)、大氣潮汐誤差改正項(xiàng)、粗糙度誤差改正項(xiàng)等）改正后對(duì)高程造成的誤差控制在20 cm 以內(nèi)時(shí)，測(cè)高精度可優(yōu)于1 m。

4 結(jié)束語

本文在研究了ICESat/GLAS 測(cè)高系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上，針對(duì)GF-7 號(hào)衛(wèi)星的特點(diǎn)，開展了星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。該系統(tǒng)能夠較好地兼顧用戶在星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)分析及其產(chǎn)品批量處理兩方面的需求。同時(shí)，在星載激光雷達(dá)測(cè)高仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，平坦區(qū)域的高程精度最高可優(yōu)于1 m。隨著GF-7 號(hào)發(fā)射在即，本文所研究的星載激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)將對(duì)GF-7 號(hào)激光測(cè)高地面數(shù)據(jù)的處理具有一定的參考意義。由于GF-7 號(hào)尚未發(fā)射，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)僅立足于其部分公開的資料，后續(xù)工作還要依據(jù)實(shí)際GF-7 號(hào)的星載激光數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)有的軟件框架進(jìn)行修正。