李國(guó)元，唐新明

1.自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(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,南京210023

1 引 言

中國(guó)湖泊數(shù)量眾多、類型多樣、資源豐富、生態(tài)環(huán)境脆弱，廣泛分布在青藏高原、云貴高原、蒙新高原、東北平原、東部平原等五大湖區(qū)。據(jù)第二次全國(guó)湖泊調(diào)查統(tǒng)計(jì)，中國(guó)面積大于1 km2的湖泊共有2693個(gè)，總面積為81414.66 km2，約占全國(guó)總面積的0.85%，其中超過一半位于青藏高原區(qū)域（中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，2019；Zhang 等，2019a）。湖泊水位對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)的響應(yīng)非常敏感，是湖泊動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容（V?r?smarty 等，2000）。傳統(tǒng)的湖泊水位獲取方式是通過地面水文監(jiān)測(cè)站，雖然具有測(cè)量精度高、觀測(cè)頻次連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在因地域及成本問題無(wú)法大規(guī)模建立水文站的問題，衛(wèi)星遙感在湖泊水位監(jiān)測(cè)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值（金建文等，2020）。

近年來(lái)，對(duì)分布在環(huán)境惡劣的青藏高原或者偏遠(yuǎn)地區(qū)的大型湖泊，衛(wèi)星測(cè)高技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而受到廣泛的關(guān)注（李建成等，2007；高永剛等，2008；Michailovsky 等，2012；Kleinherenbrink 等，2014；趙云等，2017；田山川等，2018；廖靜娟等，2018）。相比于衛(wèi)星雷達(dá)測(cè)高（廖靜娟，2020），衛(wèi)星激光測(cè)高的地面足印更小，且受湖岸及波浪干擾概率更低，在湖庫(kù)水面測(cè)高方面更具有優(yōu)勢(shì)（李國(guó)元，2017；葛莉 等，2017；Phan等，2012；Song 等，2015；Zhang 等，2019b）。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用2003年—2009年的ICESat（Ice，Cloud and Land Elevation Satellite）衛(wèi)星的GLAS （Geoscience Laser Altimetry System）激光測(cè)高數(shù)據(jù)開展了長(zhǎng)江中下游湖泊水位監(jiān)測(cè)（吳紅波等，2012）、青藏高原154個(gè)湖泊的水位變化（Phan等，2012）、中國(guó)十大湖泊水量變化（Zhang 等，2013）、青海湖2003年—2009年面積及蓄水量變化（楊雄丹等，2020）等具體應(yīng)用研究。針對(duì)2018年美國(guó)發(fā)射成功的全球生態(tài)動(dòng)力學(xué)調(diào)查系統(tǒng)GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）多波束激光測(cè)高數(shù)據(jù)（謝棟平等，2018），用瑞士8 個(gè)天然湖泊的水位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估其在湖泊水位測(cè)量中的性能，發(fā)現(xiàn)GEDI 測(cè)量湖泊水位的精度在0.15—0.32 m，具有水位監(jiān)測(cè)應(yīng)用潛力（Fayad 等，2020）。清華大學(xué)宮鵬教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星SARAL（Satellite for ARgos and ALtika） 和ICESat （Ice，Cloud and land Elevation Satellite）衛(wèi)星，從測(cè)量精度、時(shí)間頻次以及覆蓋能力等3個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析，證明了2018年的新型激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat-2在湖泊及水庫(kù)水位測(cè)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)（Yuan等，2020；謝棟平等，2020）。

由于之前國(guó)內(nèi)沒有高精度的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，因此利用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)測(cè)量湖庫(kù)水位的研究在國(guó)內(nèi)基本為空白。2019-11-03成功發(fā)射的國(guó)產(chǎn)高分七號(hào)衛(wèi)星裝備了全波形線性體制的激光測(cè)高儀，在2016年資源三號(hào)02 星的試驗(yàn)性激光測(cè)高載荷數(shù)據(jù)處理技術(shù)基礎(chǔ)上（李國(guó)元和唐新明，2017；李國(guó)元等，2019），實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)激光高程測(cè)量水平的新進(jìn)步，但能否用于湖泊水位監(jiān)測(cè)，湖泊水位的絕對(duì)測(cè)量精度如何，之前并沒有相關(guān)研究分析。針對(duì)國(guó)產(chǎn)激光測(cè)高儀的特點(diǎn)，開展湖泊水位測(cè)量應(yīng)用有哪些注意事項(xiàng)，這些都是需要進(jìn)行研究探討的問題。本文采用高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，開展湖泊水位測(cè)量方面的精度評(píng)估，希望能對(duì)于后續(xù)國(guó)產(chǎn)激光測(cè)高衛(wèi)星型號(hào)的發(fā)展與湖泊水位監(jiān)測(cè)規(guī)模化應(yīng)用提供一些參考。

2 國(guó)產(chǎn)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)介紹

如前所述，美國(guó)先后發(fā)射了ICESat、ICESat-2以及GEDI，在衛(wèi)星激光測(cè)高領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。特別是2018-09-15 成功發(fā)射的新一代的冰云陸地高程衛(wèi)星ICESat-2 搭載了先進(jìn)的地形激光測(cè)高系統(tǒng)ATLAS （Advanced Topographic Laser Altimeter System），采用6 波束的532 nm 激光脈沖，每波束的重復(fù)頻率高達(dá)10 kHz、發(fā)散角約35 μrad，地面激光足印直徑17.5 m，沿軌向點(diǎn)間距約0.7 m，在湖泊水位監(jiān)測(cè)方面具有廣闊應(yīng)用價(jià)值（Yuan 等，2020）。近幾年來(lái)，中國(guó)在該領(lǐng)域也取得了一定的進(jìn)展，在資源三號(hào)02 星上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高（李國(guó)元等，2017），高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀雖然重頻率離國(guó)外先進(jìn)水平還有一定差距，但在光斑直徑等部分指標(biāo)上優(yōu)于國(guó)外同類衛(wèi)星。表1列出了國(guó)內(nèi)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星激光測(cè)高載荷的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 國(guó)內(nèi)外對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星激光測(cè)高載荷主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical parameters of laser altimeter loaded on earth observation satellite at home and abroad

高分七號(hào)衛(wèi)星的兩波束激光測(cè)高儀指向在近似天底點(diǎn)方向的垂軌平面內(nèi)，并與天底點(diǎn)方向左右各成0.7°夾角，地面激光點(diǎn)沿軌向的間距約2.4 km、垂軌向約12 km，主要用于高精度的高程控制點(diǎn)獲取，提高同平臺(tái)兩線陣影像的立體測(cè)圖精度（Li 等，2020），詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀基本參數(shù)Table 2 The basic parameters of GF-7 Satellite Laser Altimeter

高分七號(hào)衛(wèi)星的激光測(cè)高儀雖然重頻率偏低，主要用于高程控制點(diǎn)獲取，但仍然有部分?jǐn)?shù)據(jù)正好落在大型湖泊和水庫(kù)上，能用于水位測(cè)量等應(yīng)用，如圖1所示，紅圈代表經(jīng)在軌幾何定標(biāo)確認(rèn)的激光實(shí)際落點(diǎn)位置。

圖1 高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)水體區(qū)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 方法與試驗(yàn)

3.1 水位測(cè)量精度影響分析

采用衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行湖泊水位測(cè)量及變化監(jiān)測(cè)，對(duì)激光點(diǎn)的高程測(cè)量精度和可靠性要求特別高。衛(wèi)星側(cè)擺、大氣散射以及波形飽和等對(duì)湖面上的激光點(diǎn)高程精度有明顯的影響，必須對(duì)激光點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量控制，保留精度較高的點(diǎn)，并利用多點(diǎn)落在同一湖泊上進(jìn)一步提高水位測(cè)量的精度和可靠性。

3.1.1 側(cè)擺對(duì)水位測(cè)量精度的影響

地面上激光點(diǎn)高程反映的是特定平面位置上的高程值，當(dāng)衛(wèi)星無(wú)側(cè)擺、激光完全垂直指向地面時(shí)，絕對(duì)平坦地區(qū)激光測(cè)高精度主要取決于測(cè)距精度。在衛(wèi)星側(cè)擺情況下，平面位置偏差也會(huì)影響激光測(cè)高精度，有一定坡度區(qū)域的測(cè)高精度退化會(huì)更加明顯。如圖2 所示，衛(wèi)星軌道高度近似為H，衛(wèi)星側(cè)擺下激光指向角為θ，激光指向角測(cè)量精度為Δθ，地形坡度為S，因衛(wèi)星側(cè)擺和地形起伏引起的高程誤差Δh近似為式（1）（李國(guó)元等，2019）。

圖2 側(cè)擺和地形起伏引起激光點(diǎn)誤差示意圖Fig.2 The illustration of location error introduced by the sway and topographic relief

當(dāng)衛(wèi)星在500 km 軌道高度時(shí)，指向角測(cè)量誤差與激光點(diǎn)平面和高程測(cè)量誤差的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。地形坡度S=0°，指向角θ=1°時(shí)，1″的指向測(cè)量誤差約引起0.042 m 的高程偏差。疊加姿態(tài)測(cè)量誤差后，目前高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀的絕對(duì)指向測(cè)量精度約2.5″，衛(wèi)星軌道高度為500 km 時(shí)對(duì)應(yīng)地面點(diǎn)的平面精度約6.0 m。在無(wú)風(fēng)的平靜湖泊水庫(kù)表面，其坡度可近似為0°，此時(shí)基于式（1），側(cè)擺角為1°時(shí)，高程誤差約0.106 m；側(cè)擺角為2°時(shí)，高程誤差約0.212 m；若水面因風(fēng)浪等影響有一定小坡度，則側(cè)擺時(shí)高程測(cè)量精度會(huì)進(jìn)一步下降。在同樣的指向角測(cè)量誤差下，衛(wèi)星側(cè)擺越大，激光點(diǎn)的高程測(cè)量誤差越大。因此，為了保證水面高程測(cè)量精度，應(yīng)選擇側(cè)擺角較小時(shí)的數(shù)據(jù)，考慮到高分七號(hào)衛(wèi)星本身具有左右0.7°的安裝角，本文建議選擇衛(wèi)星側(cè)擺小于0.3°的激光測(cè)高數(shù)據(jù)用于湖泊水位測(cè)量。

表3 指向角測(cè)量誤差與激光點(diǎn)精度對(duì)應(yīng)表Table 3 The corresponding table of laser points accuracy and pointing measurement error

3.1.2 大氣散射對(duì)水位測(cè)量精度的影響

激光傳輸路徑上的云、氣溶膠等除對(duì)激光能量有衰減外，還會(huì)因散射產(chǎn)生距離向的延遲效應(yīng)，進(jìn)而影響最終的高程測(cè)量精度。大氣散射對(duì)激光測(cè)量精度的影響主要與云層高度、厚度、云相態(tài)，氣溶膠厚度等因素相關(guān)，李國(guó)元等（2020）較詳細(xì)地分析了大氣散射對(duì)激光測(cè)高精度的影響，湖泊水面的點(diǎn)受大氣散射影響，其測(cè)高精度會(huì)有明顯退化。目前從高分七號(hào)激光實(shí)際回波波形中難以直接識(shí)別是否受大氣散射影響，但足印影像中記錄了激光落點(diǎn)附近是否有云霧影響，可作為大氣散射影響的一個(gè)參考，以提高湖泊水位測(cè)量精度。

3.1.3 回波波形飽和

衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖到達(dá)湖面然后返回的過程中，因鏡面反射或湖面結(jié)冰形成強(qiáng)反射，可能產(chǎn)生耀斑效應(yīng)，此時(shí)回波波形易產(chǎn)生飽和，進(jìn)而影響激光點(diǎn)的高程測(cè)量精度。圖3為高分七號(hào)衛(wèi)星在呼倫湖上一個(gè)回波波形發(fā)生飽和的激光點(diǎn)，該點(diǎn)主要是由于湖面結(jié)冰后對(duì)1064 nm 的激光有較高的反射率并疊加鏡面反射引起的。

圖3 回波波形出現(xiàn)飽和的湖面激光點(diǎn)Fig.3 The laser point located on the lake with saturation waveform

3.2 高分七號(hào)衛(wèi)星湖泊水面激光點(diǎn)提取方法

本文提出一種面向高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)的大型湖泊水面激光點(diǎn)提取方法，該方法首先基于湖泊邊界矢量數(shù)據(jù)HydroLAKES（Messager等，2016），結(jié)合激光點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息，初步判斷哪些激光點(diǎn)落在湖泊上?？紤]湖泊邊界矢量數(shù)據(jù)的本身誤差以及湖泊邊界季節(jié)性變化，進(jìn)一步結(jié)合激光點(diǎn)在足印影像上的落點(diǎn)位置，剔除湖岸交界處判別為水面但實(shí)際落在陸地上的錯(cuò)誤點(diǎn)。對(duì)于湖岸交界處判別為陸地上的點(diǎn)，可借助足印影像提取實(shí)際落在水面但被漏判的激光點(diǎn)，增加落在湖面上的激光點(diǎn)數(shù)量。結(jié)合激光點(diǎn)的回波波峰數(shù)、回波脈寬、回波波形信噪比、落在同一湖面上的點(diǎn)數(shù)等，對(duì)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，具體流程如圖4所示。

圖4 高分七號(hào)衛(wèi)星湖泊水面激光點(diǎn)提取流程圖Fig.4 The workflow of extracting the GF-7 laser points on the lake

對(duì)于沿衛(wèi)星軌道（南北向）較大的湖泊水庫(kù)，如果有多個(gè)激光點(diǎn)落在同一個(gè)水面，則結(jié)合多點(diǎn)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，借助粗差剔除法去掉高程存在較大偏差的激光點(diǎn)。中位數(shù)絕對(duì)偏差方法具有很強(qiáng)的粗差探測(cè)能力，可以有效識(shí)別湖泊水位高程異常值，其粗差探測(cè)計(jì)算方法如式（2）和（3）所示。

式中，a1，…，an是沿軌高程序列，M是高程序列中位數(shù)；Houtlier是高程粗差值。

3.3 精度分析

3.3.1 與ICESat和ICESat-2數(shù)據(jù)對(duì)比分析

本文取青海湖面2008-10-05 的ICESat 和2020-09-28的高分七號(hào)及ICESat-2衛(wèi)星激光數(shù)據(jù)，其分布如圖5所示。

圖5 青海湖區(qū)域的GF-7和ICESat/ICESat-2衛(wèi)星激光測(cè)高點(diǎn)Fig.5 The distribution of GF-7 and ICESat/ICESat-2 laser altimetry points located on Qinghai Lake

由于高分七號(hào)衛(wèi)星和ICESat-2 激光點(diǎn)基準(zhǔn)為WGS84 橢球下的大地高，而ICESat 激光點(diǎn)采用TOPEX/Poseidon（T/P）衛(wèi)星橢球下的大地高，因此需要將三者的高程基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。首先將ICESat 激光點(diǎn)高程歸算到WGS84 大地高，然后采用EGM2008 大地水準(zhǔn)面改正模型統(tǒng)一對(duì)3 種衛(wèi)星激光點(diǎn)進(jìn)行基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，如式（4）所示。

式中，H為大地水準(zhǔn)面高，Hg為激光點(diǎn)在T/P橢球下的大地高，ξ為采用EGM2008 模型計(jì)算的大地水準(zhǔn)面改正值。Δh為T/P 和WGS84 兩個(gè)橢球間的差距，Δh= -cos2BΔa- sin2BΔb，其中B為緯度，Δa、Δb為兩個(gè)參考橢球長(zhǎng)軸、短軸之間的差值。

ICESat/GLAS 數(shù)據(jù)也采用了線性體制的全波形采樣記錄模式，跟高分七號(hào)激光數(shù)據(jù)有一定的可比性，但考慮到兩個(gè)衛(wèi)星時(shí)間間隔較遠(yuǎn)、沒有重復(fù)觀測(cè)的湖面數(shù)據(jù)，因此主要對(duì)比分析了兩者的內(nèi)部一致性。ICESat-2 則與高分七號(hào)在2020-09-28 同一天經(jīng)過青海湖，理論上湖面高程應(yīng)該具有一致性，因此對(duì)兩者進(jìn)行了絕對(duì)高程精度對(duì)比分析。統(tǒng)計(jì)在同軌內(nèi)連續(xù)多個(gè)激光點(diǎn)高程的標(biāo)準(zhǔn)偏差，除高分七號(hào)激光點(diǎn)進(jìn)行篩選外，ICESat 和ICESat-2 的激光點(diǎn)也采用了前述3.2 節(jié)中的中位數(shù)絕對(duì)偏差方法進(jìn)行了粗差點(diǎn)剔除，三者的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 青海湖ICESat和高分七號(hào)衛(wèi)星激光點(diǎn)高程精度對(duì)比Table 4 Elevation accuracy comparison of ICESat and GF-7 laser points located on the Qinghai Lake

從表4可以看出，高重頻的光子體制的ICESat-2在湖面的內(nèi)部一致性最優(yōu)，達(dá)到了0.045 m；ICESat和高分七號(hào)同為全波形線性體制，內(nèi)部一致性分別為0.079 m、0.051 m 和0.080 m，兩者水平基本相當(dāng)，其中高分七號(hào)的波束1略優(yōu)。此外，同一天經(jīng)過青海湖的高分七號(hào)和ICESat-2 在絕對(duì)高程精度方面，高分七號(hào)的波束1 與ICESat-2 分別為3197.733 m和3197.798 m，相差僅6.5 cm，但波束2與波束1、ICESat-2 分別相差17 cm 和23.5 cm，與文獻(xiàn)（Li等，2020）中波束2的質(zhì)量稍差的結(jié)論基本一致。

考慮到上述青海湖區(qū)高分七號(hào)與ICESat-2 雖然在一個(gè)湖區(qū)但地理位置相差較遠(yuǎn)，因此選取時(shí)間相近經(jīng)過同一湖泊且激光落點(diǎn)位置相近的哈拉湖的ICESat-2 和高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證高分七號(hào)激光點(diǎn)的精度及水位測(cè)量能力。如圖6所示，綠色和紅色分別代表高分七號(hào)和ICESat-2 于2020-06-26、2020-06-18 日經(jīng)過哈拉湖區(qū)的激光點(diǎn)，對(duì)比結(jié)果如表5所示。

圖6 哈拉湖區(qū)的高分七號(hào)和ICESat-2激光點(diǎn)分布示意圖Fig.6 The distribution of GF-7 and ICESat-2 laser altimetry points located on the Hala Lake

從表5中可以看出，哈拉湖區(qū)的高分七號(hào)激光點(diǎn)較為稀疏，但內(nèi)部一致性較好，兩波束激光高程偏差分別為3.5 cm 和6.2 cm，高分七號(hào)波束1 與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作為參考值，高分七號(hào)的兩個(gè)波束與該值的較差分別為：-5.2 cm和-8.0 cm。

表5 哈拉湖面高分七號(hào)和ICESat-2衛(wèi)星激光高程精度對(duì)比表Table 5 The accuracy comparison of GF-7 and ICESat-2 laser altimetry points located on the Hala Lake

3.3.2 絕對(duì)測(cè)量精度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證高分七號(hào)衛(wèi)星在湖泊表面的絕對(duì)測(cè)量精度，選取冬季結(jié)冰后的北方湖泊，結(jié)合高分七號(hào)激光的落點(diǎn)位置，用RTK-GPS 的測(cè)量方式實(shí)地采集了若干個(gè)湖面高程值，其中RTK-GPS 實(shí)地測(cè)量的絕對(duì)高程測(cè)量精度優(yōu)于3 cm。圖7（a）展示的是高分七號(hào)第6252和6329軌分別于2020-12-18和2020-12-23經(jīng)過內(nèi)蒙古呼倫湖區(qū)的激光點(diǎn)軌跡，由于為夜間升軌開機(jī)，無(wú)法獲取同期的影像，當(dāng)?shù)貧庀笥涗涳@示呼倫湖在該時(shí)段已經(jīng)全部結(jié)冰。圖7（b）為2021-02 湖面冰凍實(shí)后外業(yè)實(shí)地測(cè)量時(shí)按激光落點(diǎn)位置在冰面放置的GPS 接收機(jī)，其中激光落點(diǎn)平面誤差優(yōu)于6.0 m （李國(guó)元等，2021）。

圖7 呼倫湖面高分七號(hào)激光點(diǎn)及實(shí)地測(cè)量照片F(xiàn)ig.7 GF-7 laser points located on the Hulun Lake and the field surveying photo

由于高分七號(hào)激光點(diǎn)的間距較大，如果深入湖中心進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，交通和安全保障都有一定難度，因此最終選取了靠近湖岸且冰面平坦、波形沒有飽和的6個(gè)激光點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)絕對(duì)高程誤差，結(jié)果如表6 所示。表6 中高程誤差均為負(fù)值，即激光點(diǎn)高程計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏低，特別是波束2，有可能包含了因測(cè)量時(shí)間不一致導(dǎo)致冰面膨脹而產(chǎn)生的部分誤差。

表6 高分七號(hào)激光點(diǎn)湖面高程絕對(duì)精度統(tǒng)計(jì)表Table 6 The absolute elevation accuracy statistical result of GF-7 laser points located on the Hulun Lake

4 結(jié) 論

作為中國(guó)首臺(tái)業(yè)務(wù)化應(yīng)用的對(duì)地觀測(cè)激光測(cè)高儀，雖然其主要用途是獲取高程控制點(diǎn)，輔助立體影像進(jìn)行高精度測(cè)圖，但開展高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高數(shù)據(jù)在大型湖庫(kù)水位測(cè)量方面的應(yīng)用實(shí)踐具有重要的科研和應(yīng)用價(jià)值。通過本文的試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：

（1）高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀能有效獲取大型湖泊的水位值，經(jīng)實(shí)地測(cè)量評(píng)價(jià)兩波束的絕對(duì)高程精度分別為：-0.030 m±0.109 m 和-0.195 m±0.049 m，波束2的絕對(duì)精度比波束1稍差一些。

（2）與ICESat 衛(wèi)星在青海湖面的激光點(diǎn)相比，高分七號(hào)衛(wèi)星激光點(diǎn)湖面高程內(nèi)部一致性相當(dāng)，高分七號(hào)兩波束的湖面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.056 m和0.080 m，ICESat 為0.079 m，其中高分七號(hào)的波束1指標(biāo)略優(yōu)。

（3）與ICESat-2 衛(wèi)星對(duì)比，高分七號(hào)衛(wèi)星的湖面點(diǎn)顯得更為稀疏，相鄰時(shí)間的哈拉湖同一湖面的高分七號(hào)兩個(gè)波束與ICESat-2 的絕對(duì)高程均值相差分別為-5.2 cm和-8.0 cm。

（4）在衛(wèi)星側(cè)擺時(shí)其精度有較大退化，激光指向角大于1°時(shí)額外引入的高程誤差會(huì)超過0.106 m，建議為保證大型湖庫(kù)水位測(cè)量精度，應(yīng)使用側(cè)擺角小于0.3°的數(shù)據(jù)。同時(shí)應(yīng)綜合考慮大氣散射、湖岸分界、波形飽和等其他因素的影響，確保激光點(diǎn)的可靠性和精度。

衛(wèi)星激光測(cè)高因其具有較高的高程測(cè)量精度及較小的足印直徑，在大型湖泊和水庫(kù)水位測(cè)量方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。為保證能有效測(cè)量湖泊水位值，至少需要3個(gè)有效的激光點(diǎn)落在同一湖面上形成交叉驗(yàn)證，而高分七號(hào)的激光點(diǎn)間距相對(duì)較大約2.4 km，導(dǎo)致目前僅能測(cè)量南北向長(zhǎng)度大于7.2 km的湖泊，在水位測(cè)量方面的規(guī)模化應(yīng)用還受到一定限制。

本文的研究結(jié)論說明，利用國(guó)產(chǎn)高分七號(hào)衛(wèi)星激光測(cè)高儀測(cè)量大型湖泊水位值從技術(shù)上是可行的、驗(yàn)證區(qū)的精度基本跟國(guó)外的相當(dāng)，但因激光重頻率偏低導(dǎo)致規(guī)?；瘧?yīng)用還比較困難，若開展長(zhǎng)周期變化監(jiān)測(cè)則對(duì)激光的重頻率、衛(wèi)星的覆蓋和重訪能力提出了更高要求，需在后續(xù)衛(wèi)星論證過程中對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最佳應(yīng)用效果。未來(lái)隨著國(guó)產(chǎn)陸海激光測(cè)量衛(wèi)星以及新型激光三維成像衛(wèi)星的立項(xiàng)與發(fā)射（唐新明和李國(guó)元，2019），必能最終實(shí)現(xiàn)快速、精確、長(zhǎng)周期地掌握湖泊和水庫(kù)的水位及變化信息，為水資源調(diào)查監(jiān)測(cè)、生態(tài)文明建設(shè)以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化提供更有力的支撐。

志 謝本文在呼倫湖面高分七號(hào)激光點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了黑龍江測(cè)繪地理信息局的朱李忠、劉沼輝、韓慧軍等外業(yè)測(cè)量人員的支持，在此表示感謝。