謝棟平 李國元 趙嚴銘 楊雄丹 唐新明 付安民

（1 遼寧工程技術大學 2 國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應用中心 3 國家林業(yè)和草原局調查規(guī)劃設計院）

1 引言

星載激光測高具備主動獲取全球地表及目標三維信息的能力，能為快速獲取包括境外地區(qū)在內的三維控制點以及立體測圖提供服務，同時在極地冰蓋測量、植被高度及生物量估測、云高測量、海面高度測量以及全球氣候監(jiān)測等方面都可以發(fā)揮重要作用。

美國分別于2003年和2018年發(fā)射了世界上第一顆激光測高衛(wèi)星ICESat－1和ICESat－2外，還于2018年12月5日（當?shù)貢r間）發(fā)射全球生態(tài)系統(tǒng)動力學調查雷達（GEDI），GEDI搭載了全球首臺用于高分辨率森林垂直結構測量的多波束線性體制的激光測高儀，主要用于熱帶和溫帶地區(qū)的森林冠層高度、垂直結構、地面高程等的精準測量。

2 GEDI任務介紹和發(fā)射情況

GEDI在2014年被美國國家航空航天局（NASA）選中執(zhí)行地球風險投資工具（EVI）任務，成本為9400萬美元，任務周期為2年，覆蓋范圍是南緯51.6°到北緯51.6°。在此期間，GEDI預計將進行約100億次無云觀測。這些數(shù)據(jù)將由GEDI科學團隊處理，其中，第一批數(shù)據(jù)將在發(fā)射6個月后發(fā)布。

任務意義

GEDI量化了地球植被中的生物量，從而量化了植被中的碳儲量，并估算了土地利用和氣候變化產(chǎn)生的碳通量。由此，可以計算在未來氣候和土地利用情景下森林的碳匯潛力。

通過利用GEDI提供的植被垂直結構信息，可以表征大量生物的棲息地質量。如此一來，GEDI不僅可以解決有關植被碳匯估算的問題，還可以通過垂直結構測量指導改善棲息地質量，最終實現(xiàn)生物多樣性的保護。

沿軌返回能量顯示植被的垂直分布

GEDI欲解決的三大科學問題是：①森林的碳平衡是什么？②未來地表如何減輕大氣中的二氧化碳濃度？③森林結構如何影響棲息地質量和生物多樣性？相應地，其四大科學目標是：①量化植被中地上碳儲量的分布；②量化植被擾動和恢復對碳儲量的影響；③量化現(xiàn)有和新建/再生林在未來封存碳的潛力；④量化棲息地結構的時空分布及其對棲息地質量和生物多樣性的影響。

此外，GEDI數(shù)據(jù)可用于支持減少森林砍伐和森林退化導致的溫室氣體排放（REDD+）和“生物多樣性公約”等政府間政策舉措，以及民間社會團體為減緩氣候變化、可持續(xù)土地利用和生物多樣性保護戰(zhàn)略提供信息的努力。

發(fā)射情況

GEDI已于2018年12月5日（當?shù)貢r間）在卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心，由獵鷹－9運載火箭隨著SpaceX公司第16次商業(yè)補給任務發(fā)射升空。該載荷將通過國際空間站的機械臂安裝到日本實驗艙-裸露設施（JEM-EF）。

國際空間站（上）、裝有GEDI（金色高亮顯示）的JEM-EF（下）

3 GEDI激光測高系統(tǒng)及產(chǎn)品分級

儀器概述

GEDI包含3個相同的近紅外摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器，以242Hz脈沖重頻率，10mJ的能量，向地面發(fā)射波長1064nm的短脈沖激光（14ns）。發(fā)射激光的光束發(fā)散角為56mrad，其中兩個激光器為全功率，一個激光器被分成兩個光束，共產(chǎn)生四個光束。光束偏轉單元（BDUs）通過改變1.5mrad的激光束指向，實現(xiàn)激光光斑在地面上快速移動600m，最終產(chǎn)生八個地面軌跡。GEDI大光斑激光軌跡總幅寬4.2km，沿軌間距60m，垂軌間距600m，光斑平均大小為25m。

GEDI模擬激光雷達波形及其光斑對應區(qū)域樹的分布圖

GEDI儀器激光、光路、探測器和數(shù)字化儀

GEDI地面采樣模式

相關技術

GEDI激光經(jīng)地面、植被和云層反射，被其望遠鏡接收。在激光光子被導向檢測器后，將光亮轉換為電壓，并以1ns間隔記錄為時間函數(shù)。然后再將其乘以光速轉換為距離函數(shù)。

在GEDI模擬激光雷達波形及其光斑對應區(qū)域樹的分布圖中，圖左為GEDI激光雷達模擬波形，淺棕色部分表示冠層返回能量，深褐色部分表示地形返回能量，黑線是累積返回能量，從地面到冠層，依次標準化為0到1。其中，相對高度（RH）表示相對于地面達到某個百分位數(shù)返回能量的高度。圖右為圖左波形對應的植被結構分布。

結合GPS定位信息與星敏感器姿態(tài)信息，可以計算得出GEDI波形對應地面位置，水平精度為9m。從GEDI波形中，可以提取出四種類型結構信息：地貌、冠層高度、冠層覆蓋面積和垂直結構。經(jīng)過優(yōu)化，GEDI可進行全球熱帶和溫帶的森林垂直結構測量。其足印大小設計比較合理，既可以測量整棵樹，同時也可以在陡峭地形中準確探測地面。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品

GEDI數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括表征地球三維特征的足印和格網(wǎng)數(shù)據(jù)集。原始數(shù)據(jù)由戈達德太空飛行中心GEDI任務操作中心（MOC）負責采集，經(jīng)科學運營中心（SOC）處理后，分發(fā)至NASA陸地過程分布式數(shù)據(jù)檔案中心（LPDAAC）以及美國國立橡樹嶺實驗所分布式活動檔案中心（ORNL DAAC）。根據(jù)數(shù)據(jù)處理階段的不同，GEDI產(chǎn)品劃分為四個級別。1級產(chǎn)品即定位波形；2級產(chǎn)品即足印級冠層高度和剖面度量；3級產(chǎn)品即格網(wǎng)冠層高度及其變化；4A和4B級產(chǎn)品即足印以及格網(wǎng)地上碳估計。其中，初級產(chǎn)品（L1和L2）由LPDAAC生產(chǎn)，高級產(chǎn)品（L3和L4）由ORNL DAAC生產(chǎn)。

在算法理論基礎文檔（ATBD）中有用于創(chuàng)建這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品的物理理論、數(shù)學過程和模型假設。這些文檔為用戶理解和使用GEDI數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供了必要的背景知識。

產(chǎn)品級別劃分及算法理論基礎文檔

協(xié)作者共享數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)產(chǎn)品算法校準和驗證

檢校與精度驗證

GEDI采用位于全世界公開的野外實地觀測和機載數(shù)據(jù)集來研究推導校正方程，用于預測GEDI觀測區(qū)域的地上生物量。經(jīng)過GEDI科學定義團隊（SDT）模擬器，模擬類似GEDI的波形及相關衍生指標，從而校準生物量方程，其中田間生物量值作為參考數(shù)據(jù)。

NASA陸地植被和冰傳感器（LVIS）在GEDI激光雷達波形模擬器和數(shù)據(jù)產(chǎn)品算法的校準和驗證中發(fā)揮著關鍵作用。LVIS沿著GEDI地面軌道部署，用于評估GEDI 1級到4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質量。LVIS、機載激光掃描（ALS）和地面激光掃描（TLS）數(shù)據(jù)均可用于模擬GEDI波形和校準生物量方程。

4 GEDI數(shù)據(jù)應用前景

森林管理及碳循環(huán)

GEDI即將獲得的數(shù)十億次森林垂直結構觀測數(shù)據(jù)，分析研究可獲得相應的生物量及碳匯估算，從而加強對火災、碳循環(huán)的認識和管控，以及對瀕危、受威脅物種的保護和管理。

（1） 瀕危物種保護

GEDI對植被冠層垂直結構的觀測數(shù)據(jù)可用于識別受威脅及瀕危物種所在森林；GEDI對森林內氣候梯度及干擾強度的測量有助于我們對棲息地質量、動物多樣性和瀕危物種模式的理解；GEDI數(shù)據(jù)與光學雷達圖像融合可為每年數(shù)百次生物多樣性和棲息地利用研究增加重要的垂直維度數(shù)據(jù)。通過與民間組織的協(xié)調，GEDI 可確定優(yōu)先保護區(qū)，實現(xiàn)對瀕危物種的保護與管理。

（2）火災建模

GEDI可直接測得與燃料相關的植被結構，獲得景觀中可用燃料的數(shù)量及分布，從而預防火災。現(xiàn)階段GEDI已推導出部分與冠層燃料有關的指標，對于地面以及近地面燃料指標數(shù)據(jù)的推導，GEDI需要進一步改進其相關算法及技術。在植被景觀燃料分布波形圖中，圖左表示地表到植被為梯形燃料；圖右表示地面及冠層燃料之間存在間隔，故火災從地面蔓延到冠層的可能性較小。

地形和地面形變測量

GEDI獲得的大量激光測高數(shù)據(jù)能作為高精度高程控制點，有效改進數(shù)字高程模型的精度，并能作為地面高程變化測量的參考。之前美國發(fā)射的ICESat衛(wèi)星的激光測高數(shù)據(jù)已被廣泛用于驗證和量化由立體攝影測量和雷達數(shù)據(jù)構建的區(qū)域和全球數(shù)字高程模型（DEM）中的誤差，并被用作地面控制點以顯著提高InSAR生成的DEM精度。此外，星載激光測高數(shù)據(jù)還能用于消除大尺度下系統(tǒng)高程偏差以及植被覆蓋等對雷達系統(tǒng)引起的誤差。與ICESat和ICESat－2相比，在南緯51.6°至北緯51.6°的范圍內，GEDI獲得的精確地面高程數(shù)據(jù)將在采樣密度方面有顯著改善，能有效構成地面控制點的重要數(shù)據(jù)集基礎，以驗證和校正全球和區(qū)域DEM，并作為地面高程變化的參考。

植被景觀燃料分布波形圖

水資源調查

GEDI激光測高觀測可以對地球表面和沿海水域以及溫帶冰川進行前所未有的測量，收集的高程觀測數(shù)據(jù)可用于全球地表水監(jiān)測。GEDI數(shù)據(jù)的多軌、高分辨率以及沿軌采樣特性，使其特別適合于河流坡度測量。

在國際空間站軌道阻礙GEDI觀測極地陸地冰情形下，GEDI多波束大足印的特點使其可觀測到最易受影響且消耗特別大的亞極地陸地冰，包括亞洲高山和巴塔哥尼亞冰川和冰蓋，以幫助我們了解它們的現(xiàn)狀和未來變化。同樣地，亞極陸地積雪是一種重要的水資源，GEDI地面高程測量有助于驗證和繪制這種積雪圖。根據(jù)軌道覆蓋范圍，GEDI還能在熱帶和溫帶區(qū)域對海陸連接處進行大量的高精度高程測量，可用于控制和改善沿海數(shù)字高程模型，對于海平面上升、潮汐洪水和風暴潮以及量化颶風危險區(qū)域模擬等都有重要的研究和應用價值。

美國新罕布什爾州Hubbard Brook實驗林生物量估算

GEDI合作項目應用

GEDI項目中有一些與包括德國航天局（DLR）及美國NASA陸地衛(wèi)星計劃Landsat在內其他組織的合作事項。

GEDI激光雷達空間采樣與TanDEM-X連續(xù)測圖功能相結合，可獲得更高分辨率以及更高精度的高程和生物量估計。

GEDI與Landsat植被變化圖融合，可獲得植被高度的高空間分辨率估計和地上碳儲量在1年至5年時間尺度的變化。此外，GEDI森林結構觀測結果與Landsat森林面積和森林干擾估算相結合，可獲得目前由森林砍伐所導致的碳排放量最準確估計。

5 總結

美國的GEDI任務是全球首個對熱帶和溫帶森林植被三維垂直結構和地形進行多波束高分辨率測量的天基激光測高系統(tǒng)，從根本上提高人類對森林生物量、碳和水循環(huán)過程和生物多樣性保護等方面的認識和研究能力。該任務應用前景十分廣闊，也將會在國際全球氣候變化研究的科學界產(chǎn)生重要的影響。