李國元,唐新明,周曉青,盧 剛,陳繼溢,黃庚華,高小明,劉 詔,歐陽斯達
1.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心,北京 100048;2.自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用重點實驗室,北京 100048;3.江蘇省測繪工程院,江蘇 南京 210013;4.中國科學(xué)院空間主動光電技術(shù)重點實驗室,上海 200083
高分七號衛(wèi)星是我國首顆民用亞米級光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星,通過激光與立體影像復(fù)合測繪應(yīng)用的模式實現(xiàn)1∶10 000立體測圖,衛(wèi)星搭載了國內(nèi)首臺業(yè)務(wù)化應(yīng)用的激光測高儀,主要用于獲取高精度高程控制點[1-3]。
衛(wèi)星在軌幾何定標是測繪精度保障的前提條件,激光測高儀的幾何定標可分為場地定標和無場定標兩類。在場地定標方面,文獻[4]在ICESat(ice,cloud and land elevation satellite)衛(wèi)星發(fā)射前研究了GLAS(geo-science laser altimetry system)的在軌幾何定標方法,同時結(jié)合待定標的參數(shù)設(shè)計了具體定標方案;文獻[5]采用地面紅外探測和角反射器對GLAS激光測高儀的指向角和時間同步誤差進行定標分析,取得了較好的精度結(jié)果;文獻[6]分析了GLAS激光的指向確定方法及系統(tǒng)誤差,發(fā)現(xiàn)激光指向誤差與溫度有很大的關(guān)聯(lián)性。在無場定標方面,文獻[7—8]采用精細地形數(shù)據(jù)對GLAS激光測高儀的距離和指向偏差進行了定標,并研究了場地的選擇;文獻[9]建議衛(wèi)星在大洋上空時采用機動飛行方式對激光測高儀的指向誤差進行定標,但要求衛(wèi)星機動能力強,目前不適合國產(chǎn)衛(wèi)星。對于無法進行場地定標的火星激光測高儀,文獻[10]采用地形數(shù)據(jù)對火星軌道激光測高儀MOLA(mars orbiter laser altimeter)的激光脈寬進行了分析;文獻[11]采用軌道交叉點對MOLA激光指向角偏差進行檢校,提高了其水平定位精度,但該方法對于重頻率不高、難以構(gòu)成軌道交叉點的高分七號激光測高儀基本不可行。
針對國產(chǎn)激光測高儀,文獻[12]提出了“兩步法”在軌幾何定標方法,針對資源三號02星激光測高儀不具備波形采樣和記錄功能,發(fā)散角較大、測距精度也較低[13-15]的特點,先后結(jié)合地形匹配和地面紅外探測器的方法實現(xiàn)資源三號02星試驗性激光測高儀的在軌幾何定標[16-17],但該方法需要在野外布設(shè)大量的地面探測器[18]。相比資源三號02星,高分七號衛(wèi)星激光測高儀具有全波形數(shù)據(jù),且發(fā)散角和足印更小、測量精度要求更高。因此,結(jié)合高分七號衛(wèi)星激光測高儀的特點,研究提出更有針對性、精度更高的在軌幾何定標方法非常必要。通過地面布設(shè)探測器捕捉衛(wèi)星發(fā)射的激光信號實現(xiàn)精確幾何定標是目前比較可靠的方法,但2019年11月3日高分七號衛(wèi)星成功發(fā)射以后,受天氣及突發(fā)的新冠肺炎疫情綜合影響,很長一段時間內(nèi)衛(wèi)星在軌幾何定標的外場試驗一直無法有效開展,在這種情況下,充分利用地面已有的基礎(chǔ)測繪成果數(shù)據(jù)開展激光測高儀無場定標試驗,對于加快衛(wèi)星工程進展,快速形成激光高程控制點獲取和輔助測圖能力,具有重大意義。此外,未來我國要發(fā)展多波束的激光測高儀,如果繼續(xù)采用外場布設(shè)大量地面探測器的幾何定標方法,工程難度和經(jīng)濟代價非常大,且因波束間可能發(fā)生串擾導(dǎo)致該方法難以實現(xiàn),因此研究無場化的激光測高儀幾何定標具有重要的工程應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益。
本文首先介紹了高分七號衛(wèi)星激光測高儀的基本情況,然后提出了嚴密幾何定位模型以及結(jié)合地形匹配和波形匹配的從粗到精的無場分步定標方法,最后結(jié)合高分七號衛(wèi)星激光測高儀的實際數(shù)據(jù)開展了具體試驗和分析。
高分七號衛(wèi)星配備兩線陣立體相機和兩波束激光測高儀,兩線陣相機沿飛行方向分別以-5°和26°視角獲得幅寬為20 km,分辨率為0.65 m和0.8 m的立體影像,激光測高儀在垂軌平面內(nèi)與天底點方向左右各成0.7°夾角分別發(fā)射激光脈沖點,獲取沿軌向地面間隔約2.4 km的高程控制點,如圖1所示。
圖1 高分七號衛(wèi)星工作模式Fig.1 The working mode diagram of GF-7 satellite
高分七號衛(wèi)星激光測高儀有兩個波束,共用一個接收望遠鏡,如圖2所示。兩個波束的激光器均包括1臺主份和1臺備份,發(fā)射波長為1064 nm的近紅外譜段,發(fā)散角設(shè)計指標均為≤60 urad,即從500 km軌道高度打到地面的光斑大小約30 m,實際在軌測量其發(fā)散角分別為38 urad和42 urad,對應(yīng)地面光斑大小為19 m和21 m,優(yōu)于原來的30 m設(shè)計指標;全波形采樣頻率為2 GHz,高于GLAS的1 GHz指標,對應(yīng)時間間隔和距離分辨率分別為0.5 ns和0.075 m;采用了強弱兩種增益模式記錄波形數(shù)據(jù),以適應(yīng)不同地表反射率的回波強度。此外,高分七號衛(wèi)星激光測高儀沒有采用與GLAS直接利用恒星測量激光指向的模式,而是利用足印相機(laser footprint camera,LFC)實現(xiàn)對激光發(fā)射脈沖強度及地面景物成像,包括激光斷面陣列(laser profile array,LPA)[19]和激光足印地物全色影像(laser footprint image,LFI),以實現(xiàn)激光指向測量精度的有效提升[20],足印影像的分辨率為3.2 m,量化位數(shù)14 bits。相關(guān)參數(shù)見表1。
表1 高分七號衛(wèi)星激光測高儀基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of GF-7 satellite laser altimeter
圖2 高分七號衛(wèi)星激光測高儀構(gòu)型Fig.2 The configuration diagram of GF-7 satellite laser altimeter
按衛(wèi)星激光測高的基本原理,在地心地固坐標系下,激光測高儀的嚴密幾何模型可以表示為[2,21]
(1)
且激光測高儀的3個指向角滿足式(2)
cos2Ax+cos2By+cos2Cz=1
(2)
Δρ=Δρatm+dρ
(3)
(4)
高分七號激光測高儀帶有足印相機,同時也通過實驗室測量的方法給定了激光落點在足印地物影像LFI上的理論位置。但在實驗室中受測量條件和儀器精度等因素影響,高分七號衛(wèi)星激光測高儀測定的指向角存在一定誤差,此外受應(yīng)力釋放、環(huán)境變化及震動等因素的影響,衛(wèi)星入軌后激光指向與整星基準的關(guān)系也會發(fā)生變化。因此,LFI上給定的位置只能作為初值供參考,按載荷制造方的分析其平面誤差應(yīng)該在100 m左右,但具體數(shù)值未知,必須依賴衛(wèi)星在軌后精確定標。而之前在資源三號02星的激光測高試驗表明,基于地形匹配方法和30 m格網(wǎng)的AW3D30參考地形數(shù)據(jù)能將平面誤差控制在30 m左右,此外高分七號衛(wèi)星激光測高儀具有全波形采樣和記錄功能,波形形態(tài)與激光光斑內(nèi)的地形地物特征密切相關(guān),因此在激光測高儀與足印相機相對誤差未知的情況下,本文采用了基于地形匹配和波形匹配從粗到細的無場分步定標方法。
當每個激光點的距離測量值一定時,采用不同的指向角和測距系統(tǒng)誤差將得到不同的三維坐標,定義特定指向角和測距系統(tǒng)誤差下的離散點集合為P,如式(5)所示
P={p(x,y,z)|(xi,yi,zi)=f(ρi,dρ,dAx,dBy),i=1,2,…,n}
(5)
式中,(xi,yi,zi)為激光足印點的三維坐標;(ρi,dρ,dAx,dBy)分別為該激光點的測距值、測距系統(tǒng)偏差值、激光指向角偏差值。
實際地形集合為Q,如式(6)所示
Q={q(x,y,h)|hi=g(xi,yi),(xi,yi)∈P}
(6)
式中,P和Q的關(guān)系如圖3所示。
圖3 基于地形匹配的激光測高儀幾何定標Fig.3 The illustration of laser altimeter geometric calibration based on terrain matching
理論上存在某一組指向角和測距系統(tǒng)誤差對應(yīng)的集合P,使得P=Q,此時的指向角和測距系統(tǒng)誤差即為真實值。但衛(wèi)星激光測高過程存在一些不可消除的隨機誤差,實際地形集合Q本身也存在一定測量誤差。因此,基于地形匹配的過程就是通過尋找最優(yōu)的指向角和測距系統(tǒng)偏差值,使得P≈Q。圖4直觀顯示了不同指向角誤差對應(yīng)的激光點高程誤差分布,其中高程誤差最小處對應(yīng)的指向角誤差即為與實際指向角最接近的偏差值。
圖4 不同指向角誤差對應(yīng)的激光足印點高程誤差分布Fig.4 The elevation error of laser footprint points corresponding to different pointing angle error
選擇激光點集合P與實際地形集合Q對應(yīng)點的高差平方和最小作為評價指標,即存在一組激光指向角偏差值(dAx,dBy),滿足式(7)
(7)
基于地形匹配的方法找到最小值及其附近的格網(wǎng)點對構(gòu)成一個二次拋物面,如式(8)所示
(8)
基于最小二乘擬合,可以進一步提高指向角的精度,使其更接近于真實值。
在求得指向角偏差值(dAx,dBy)后,激光點與參考地形的高程差值的均值可看作系統(tǒng)性測距誤差dρ的初始值。經(jīng)地形匹配獲得(dρ,dAx,dBy)的近似真值后,可以將激光落點位置限定到一定的精度范圍,之前資源三號02星的結(jié)果表明,地形匹配后的精度取決于用作參考的地形數(shù)據(jù)的本身精度和格網(wǎng)大小,格網(wǎng)值較大時激光足印點平面誤差大約為地形參考數(shù)據(jù)格網(wǎng)大小的1~1.5倍。
全波形數(shù)據(jù)是高分七號衛(wèi)星激光測高儀的核心數(shù)據(jù)之一,也是與資源三號02星激光測高儀的本質(zhì)區(qū)別所在。圖5為高分七號某個激光點的實際發(fā)射波形、LPA光斑能量分布及回波波形。
圖5 高分七號某個激光點的相關(guān)數(shù)據(jù)Fig.5 A sample data of GF-7 satellite laser altimeter
筆者在文獻[22]中提出了一種在實際環(huán)境中綜合考慮地物反射率、發(fā)射波形及激光斷面陣列(LPA)提高激光回波仿真精度方法。本文基于該思想,采用LiDAR-DSM地形數(shù)據(jù),利用高分七號衛(wèi)星激光測高儀的實際發(fā)射波形數(shù)據(jù)、足印相機記錄的LPA光斑能量分布,仿真出相應(yīng)位置高分七號激光點的回波數(shù)據(jù),其中地表反射率采用同區(qū)域1064 nm波長的機載LiDAR點云強度值歸一化結(jié)果。圖6為高分七號衛(wèi)星激光測高儀的典型地物實際回波波形數(shù)據(jù),分別對應(yīng)建筑物、水體和植被。由于在平地或水體區(qū)域回波波形隨平面位置變化不敏感,而植被區(qū)域因激光有穿透性其回波波形形態(tài)較難把握。因此,本文基于實際回波波形數(shù)據(jù)的特點,篩選了地形起伏較大且無植被影響的區(qū)域,重點選取幾個階梯狀的建筑物區(qū)域激光點開展波形仿真及匹配。
圖6 高分七號激光測高儀部分典型地物波形數(shù)據(jù)Fig.6 The echo waveform of GF-7 satellite laser altimetry data on the characteristic ground objects
以2.1節(jié)計算出的激光落點位置為中心,在25 m范圍內(nèi)按一定間隔移動落點位置,將不同位置的仿真波形與實際的回波數(shù)據(jù)進行匹配,以多個激光點的相似度最大處的位置平均值作為實際落點位置,并反向解算出激光指向角作為精確結(jié)果。波形匹配的相似度測量可以利用經(jīng)典的皮爾森Pearson相關(guān)系數(shù)計算,如式(9)所示
(9)
式中,cov(x,y)表示變量x和y的協(xié)方差;σx和σy分別代表標準差;ρ介于[-1,1]之間,越接近于1表示正相關(guān)程度越大、波形相似程度越高。此外,為了消除二異性,階梯狀的建筑物的高差信息也可以作為匹配相似度的評價準則,即同一激光點的仿真波形和實際回波波形經(jīng)高斯分解后,波峰之間的距離應(yīng)具有一致性。
本文選取2019年11月13日、11月22日、11月28日、11月29日的第154、295、382和429軌共4軌高分七號衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)(表2)進行試驗。利用90 m格網(wǎng)的SRTM、30 m的AW3D30和10 m的ZY3-DSM開展地形匹配獲取指向角的粗定標值,然后利用某區(qū)域的1∶2000高精度DOM影像和LiDAR-DSM基礎(chǔ)地理信息成果作為試驗區(qū),開展無場定標波形匹配獲取精細的指向角和測距偏差。其中11月28日的第382軌經(jīng)過波形匹配試驗區(qū),如圖7(a)所示,底圖為后視相機0.65 m分辨率影像,紅色圓點為激光足印點示意位置;DOM影像的分辨率為0.1 m、平面精度優(yōu)于1.0 m,LiDAR-DSM的點間隔約1.5 m,高程精度優(yōu)于0.15 m,平面坐標系和高程基準均轉(zhuǎn)為WGS-84坐標系和大地高,如圖7(b)所示。落在DOM和LiDAR-DSM區(qū)域的有效激光點共65個,剔除位于水面、植被區(qū)域的點最后共保留54個點。
圖7 試驗區(qū)第382軌激光足印點分布及包含某激光點的參考數(shù)據(jù)示例數(shù)據(jù)Fig.7 The laser footprint distribution of the orbit.382 and the referenced data of a certain laser point
表2 試驗數(shù)據(jù)基本信息Tab.2 The basic information of the experimental data
2020年6—7月,自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心、中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心等單位先后多次在外場實地布設(shè)地面探測器,開展高分七號衛(wèi)星激光測高儀外場在軌幾何定標試驗并取得成功,獲得了激光實地落點的精確位置,本文將其作為真值用于無場定標結(jié)果的真實性驗證。
對4軌試驗數(shù)據(jù)采用格網(wǎng)大小分別為90、30、10和1.5 m的SRTM、AW3D30、ZY3-DSM、LiDAR-DSM數(shù)據(jù)對不同軌的激光點,基于地形匹配的思想計算出指向角,結(jié)果見表3。試驗中除382軌收集到相應(yīng)的ZY3-DSM和LiDAR-DSM數(shù)據(jù)外,其他軌僅開展了基于SRTM和AW3D30的地形匹配試驗。
由表3可知,波束2的指向角實驗室測量值誤差比波束1明顯偏大,其中X方向略大于Y方向,但經(jīng)地形匹配后結(jié)果比較穩(wěn)定。以382軌為例,圖8中直觀顯示了地形匹配前后沿軌向激光點高程誤差對比結(jié)果,其中參考地形為AW3D30。定標前的激光點原始高程與參考地形明顯存在一定系統(tǒng)偏差,誤差較大的點是因為部分位于高層建筑上,如圖8中的紅圈對應(yīng)的幾個點。經(jīng)統(tǒng)計,定標前誤差均值為9.17 m,均方根為12.96 m;基于地形匹配修正指向角后高程誤差顯著減少,誤差均值為0.52 m,均方根為5.71 m,說明效果非常明顯。定標后的高程誤差均值0.52 m可以作為測距系統(tǒng)偏差的初始值。
圖8 第382軌地形匹配前后沿軌向激光點高程誤差對比Fig.8 The laser elevation error comparison before and after terrain matching of the orbit.382
表3 采用不同參考地形基于地形匹配計算出的指向角結(jié)果Tab.3 The pointing result based on terrain matching by using different referenced data (°)
在上述基于地形匹配的定標基礎(chǔ)上,以試驗區(qū)1∶2000的DOM和LiDAR-DSM為參考進一步開展波形匹配。圖9為某一個激光點對應(yīng)區(qū)域的DOM、LiDAR-DSM、用于計算真實地表反射率的機載LiDAR強度值、0.65 m分辨率的后視相機影像和3.2 m分辨率激光足印影像的局部以及實際回波波形數(shù)據(jù)。
圖9 波束1中某個激光點對應(yīng)區(qū)域的相關(guān)數(shù)據(jù)Fig.9 The sample laser data of beam 1 on a certain region
以2 m為步距、地形匹配粗定標后的激光足印點位置為中心,在25 m范圍內(nèi)移動激光質(zhì)心位置,基于前述波形仿真方法獲得不同位置的回波仿真波形,如圖10所示。
由圖10可知,不同的偏移位置對應(yīng)的回波仿真波形與實際波形存在不同的相似度,基于相關(guān)系數(shù)評價仿真波形和實際波形的相似度,對于波束1在東北方向移動(4.0 m,5.0 m)的地方最接近。波束2位于建筑物區(qū)域的兩個激光點回波仿真波形與實際波形的相關(guān)系數(shù)如圖11所示,兩者在最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的偏移量雖然存在一定差異但具有較高的一致性,平面誤差在8 m左右。
圖10 波束1激光點不同平移位置的仿真波形結(jié)果Fig.10 The simulated waveform result of beam 1 on the different offset position
圖11 波束2中城市建筑區(qū)兩個激光點的仿真與實際波形相關(guān)系數(shù)分布Fig.11 The coefficient between the simulated and actual waveform on the building region of beam 2
取多組數(shù)據(jù)波形匹配的平均值即可得到該波束激光點的平面偏移量,找到相對準確的激光落點位置后,利用位于平地的激光點與對應(yīng)的LiDAR-DSM的高程誤差均值,可進一步修正測距偏差dρ,如式(10)所示
(10)
為了評價本文無場定標方法的激光足印點精度,利用位于典型區(qū)域的激光點初步判斷其實際落點位置的正確性。如圖12所示,該點所在的DOM影像南北向均為高樓,從回波波形及高程值判斷該點位于平坦地面即兩樓之間,而從DOM上測量兩樓間隔為19.5 m。如圖13所示,另一個激光點從回波波形上表示該點位于平地且高程主要位于地面(波形中左側(cè)的低矮峰為汽車或樹叢上),而從DOM上測量該點的東西向間隔為21 m,且分別有明顯高架橋和建筑物。因此,可初步判斷本文確定的無場定標結(jié)果計算出的激光落點位置可信,同時考慮到激光光斑邊緣能量較弱,邊緣區(qū)的地物對波形強度的影響小等因素,綜合估算其平面精度至少應(yīng)該在1/2的實際光斑大小。而2021年6—7月高分七號衛(wèi)星外場在軌測試結(jié)果表明兩波束激光足印直徑分別為19 m和21 m,即本文試驗區(qū)域采用無場定標結(jié)果的激光足印點平面精度在10 m以內(nèi)。
圖12 南北向均為建筑物中間平坦的激光點波形、足印相機地物影像及DOM參考影像Fig.12 The echo waveform,LFI image of and the DOM on the flat terrain with the buildings in the north-south direction
圖13 東西向分別為高架橋和建筑物的激光點波形、地物影像及DOM影像Fig.13 The echo waveform,LFI image of and the DOM on the flat terrain with the buildings and viaduct in the east-west direction
利用2021年6—7月高分七號衛(wèi)星的外場定標數(shù)據(jù),將地面探測器獲取的激光落點實際位置作為真實值,評價無場定標結(jié)果計算出的激光落點位置誤差,結(jié)果見表4。無場定標與實際落點位置的平面誤差為11.597±3.693 m,最小值為7.115 m,其中外場定標的平面誤差總體優(yōu)于5.0 m,出現(xiàn)波動的原因與不同時間段的衛(wèi)星姿態(tài)測量精度以及可能存在的大氣湍流影響有關(guān)。
表4 基于地面探測器的高分七號衛(wèi)星無場定標結(jié)果誤差統(tǒng)計Tab.4 The error statistical result of GF-7 satellite laser altimetry data based on the ground detectors m
對于無場定標后的激光點高程測量精度,采用1∶2000 DSM數(shù)據(jù),選取回波波形為單峰位于平坦地面的激光點,將定標后計算出的高程值與DSM數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果見表5,其中點號78630位于新建的平頂建筑物上,與歷史DSM數(shù)據(jù)相比地表發(fā)生明顯變化,統(tǒng)計時對該點進行了剔除。
表5 無場定標后平坦地區(qū)激光絕對高程精度初步統(tǒng)計結(jié)果Tab.5 The elevation error statistical result of laser points on the flat region after no-field calibration m
無場幾何定標對于星載多波束激光測高儀具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢和應(yīng)用價值。受新冠肺炎疫情影響,高分七號衛(wèi)星自發(fā)射后,在軌幾何定標的外場工作在很長一段時間內(nèi)一直無法有效開展,制約了后續(xù)相關(guān)工作的開展。本文利用SRTM、AW3D30和ZY3-DSM等地形數(shù)據(jù)以及某地區(qū)高精度的1∶2000比例尺DOM和機載LiDAR-DSM開展激光測高儀無場幾何定標試驗,并與外場實際定標結(jié)果進行了對比分析,經(jīng)分析和驗證,能得出如下結(jié)論。
(1)高分七號衛(wèi)星激光測高儀的實驗室指向角測量結(jié)果存在一定偏差,定標前高程方向存在約10 m的系統(tǒng)偏差,說明必須經(jīng)過在軌定標,才能提高其測量精度。
(2)利用不同格網(wǎng)的大范圍地形數(shù)據(jù)基于地形匹配的方法,能提高激光測高儀的指向精度,且不同軌間的標定結(jié)果非常穩(wěn)定,說明了該方法具有很好的可靠性;定標前高程誤差均值為9.17±12.96 m,基于地形匹配修正指向角后高程誤差顯著減少,誤差為0.52±5.71 m。
(3)經(jīng)地形和波形匹配兩步無場定標后,與外場實際定標結(jié)果進行對比分析,無場定標結(jié)果與實際落點位置的平面誤差為11.597±3.693 m,最小值為7.115 m,平坦地區(qū)高程精度優(yōu)于0.3 m,雖然略低于外場定標結(jié)果,但能滿足1∶10 000高程控制點測量需求,充分說明了本文方法的正確性。
(4)不同時間段無場定標結(jié)果與實際激光落點位置偏差存在一定波動,最小值為7.115 m,最大值為15.98 m,在激光內(nèi)部指向非常穩(wěn)定的前提下[23],說明激光落點位置與衛(wèi)星姿態(tài)測量絕對精度相關(guān),除進一步提高無場定標激光指向角系統(tǒng)誤差的改正精度外,還需要圍繞衛(wèi)星姿態(tài)測量精度的時空變化規(guī)律進行深入研究,進一步挖掘無場定標的精度潛力。
本文研究了線性體制全波形激光測高儀無場幾何定標方法,提出了綜合利用地形和波形匹配的策略,并利用高分七號衛(wèi)星激光測高儀成功進行了實踐,相關(guān)結(jié)果在2020年受新冠肺炎疫情影響無法開展外場定標時,對高分七號衛(wèi)星激光測高數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用起到了重要作用。隨著新型單光子激光技術(shù)的發(fā)展,開展多波束、高重頻光子計數(shù)體制的激光測高衛(wèi)星無場定標將是下一步努力的方向[24-26]。