基于GLAS数据的广义高程控制点库建设与精度验证-公开

引用方式：张重阳，李国元，李如仁等.基于GLAS数据的广义高程控制点库建设与精度验证[A].中国测绘地理信息学会2014年学术年会论文集[C].中国测绘地理信息学会，广东，2014.基于GLAS数据的广义高程控制点库建设与精度验证张重阳1,2，李国元2，李如仁1，王华斌2，曹景庆2,3（1辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院辽宁阜新1230002国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心，北京1013003黑龙江第三测绘工程院黑龙江哈尔滨150000）摘要：高程控制点是具有高程值的控制点，广义高程控制点是传统高程控制点的拓展与延伸。本文基于ICESat卫星搭载的GLAS（GeoscienceLaserAltimetrySystem）激光测高数据，通过回波波形分析对GLAS测高数据进行初步筛选，建立GLAS广义高程控制点库，同时利用太原和天津地区的高精度地形数据对GLAS数据进行初步精度验证，并在辅助资源三号立体平差中实现初步应用。结果表明：经筛选后的GLAS高程数据具有亚米级的高程精度，通过建立GLAS广义高程控制点库可减少外业控制点采集工作，为卫星立体测图提供高程控制信息。关键词：摄影测量与遥感；GLAS；激光测高；广义高程控制点库DatabaseconstructionandaccuracyassessmentofgeneralizedelevationcontrolpointbasedonGLASdataZhangChongyang1,2，LiGuoyuan2，LiRuren1，WangHuabin2，CaoJingqing2,3（1SchoolofGeomatics，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin，Liaoning123000，China；2SatelliteSurveyingandMappingApplicationCenter，NASG，Beijing101300，China；3TheThirdSurveyingandMappingEngineeringInstituteofHeilongjiang，Harbin，Heilongjiang150025，China）Abstract：Elevationcontrolpointsarecontrolpointswithelevationvalues,andgeneralizedelevationcontrolpointistheexpansionandextensionoftraditionalelevationcontrolpoints.ThispaperpreliminarilyfiltersGLASaltimetrydatathroughanalysisofechowaveform,establishesGLASgeneralizedelevationcontrolpointdatabase,initiallyevaluatestheaccuracyofGLASdatabyusinghigh-precisionterraindataofTaiyuanandTianjinregions，thenachievesinitialapplicationinZY-3stereoadjustmentbasedontheGLAS(GeoscienceLaserAltimetrySystem)laseraltimetrydatacarriedonICESatsatellite.Theresultsshowedthat:GLASelevationdataafterscreeninghassub-meterlevelaccuracy,canreducefieldcontrolpointscollectionworkbyconstructingGLASgeneralizedelevationcontrolpointdatabaseandprovideselevationcontrolinformationforsatellitestereomapping.Keywords：Photogrammetryandremotesensing;GLAS;laserAltimetry;generalizedelevationcontrolpointdatabase0引言测绘成果是指自然地理要素或者地表人工设施的形状、大小、空间位置及其属性信息。地理信息作为作者简介：张重阳（1991.9-），男，硕士研究生，主要从事卫星激光测高数据处理方面的研究。通讯作者：李国元（1984-）,男，博士，注册测绘师，主要从事国产卫星激光测高数据处理与应用研究，E-mail：[e-mail]1重要的测绘成果，是国家经济社会发展中具有长远意义和持续作用的资源性财富，广泛应用于经济建设、国防建设、生态建设、农林普查等人类经济社会活动的各个方面，对经济增长、环境质量改善和社会进步等具有重要的推动作用。近年来，以卫星导航定位、航空航天遥感、地理信息系统技术为核心的现代测绘技术成为一个国家科技发展水平和综合国力的重要体现[1]。随着科技的发展，三维地理信息已经在数字地球、智慧城市等各方面得到了广泛应用。星载激光测高（LaserAltimeter）是目前卫星对地观测获取三维地理信息的重要技术手段之一。星载激光测高是一种地面点高程测定技术，它以卫星为平台，搭载激光测高仪从空间、时间对地球进行观测，高精度、实时地精确测定卫星到被测物体之间的距离，并通过数据处理与分析，获得地球表面的地貌、植被覆盖情况、海面形态等信息[2]。目前，国外星载激光测高技术发展迅速，世界主要发达国家都在开展星载激光测高仪的研究。美国于2003年发射了ICESat卫星，其上搭载的地球科学激光测高仪系统（GeoscienceLaserAltimeterSystem，GLAS）是全球第一个用于连续观测地球的星载激光测距系统。在轨运行期间，获取了大量高精度的高程数据，其激光足印平面精度达10m量级，高程精度约15cm。2016年以后美国将陆续发射ICESat-2和LIST，卫星光斑大小将缩小到10m以内，获取的激光点的数量和精度都有大幅度的提高[3-4]。国内星载激光测高的相关研究工作进展比较缓慢，目前除了“嫦娥”系列卫星上搭载激光高度计外，还没有用于对地观测的激光测高系统。星载激光测高为包括境外地区三维控制点和数字高程模型（DigitalElevationModel）的获取提供了新的途径，具有观察整个天体的能力，在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面都可以发挥重要作用[5-6]。因此，开展激光测高的研究无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。广义高程控制点是将具有近似高程值的一个面状区域作为高程控制点，不同比例尺的地形图测图来说，对这个面状区域的地形起伏或高差有不同的精度要求。广义高程控制点库是星载激光测高仪辅助卫星摄影测量的一个重要的产品形式，对于提高光学立体测图卫星的高程精度具有非常重要的意义。国内外很多学者对GLAS的高程精度做了一定的验证工作，文汉江等利用GPS测量数据检核ICESat卫星激光测高数据精度，将GLAS测高数据与动态GPS数据进行比较，发现最小差异为0.76m；与静态GPS测量数据相比，在高山地区，最小高差为0.103m，最大高程差为27.475m[7]。王显威等利用南极Dome-A地区的GPS数据和GLAS数据对比得到差值最大值为0.405m，最小为0.284m[8]。Fricker使用GPS测得的BoliviaSalardeUyuni地区的DEM与GLAS数据进行比较，表明GLAS高程数据的精度在3cm之内[9]。Magruder在新墨西哥的WhiteSandsMissile地区使用记载LiDAR数据与ICESat高程数据进行比较，得出两者的高程差异在34cm以内[10]。Kurtz针对北极海冰利用记载LiDAR获取的数据与GLAS数据比较，发现将近90%的高程差异在2cm以内[11]。卫星测绘应用中心建立了覆盖全国的高精度影像控制点数据库，可以有效解决立体测图时的平面控制问题，但是高程数据比较缺乏，有的存在精度偏低的问题，需要进行外业测量[12]。李国元等利用GLAS作为高程控制数据开展了辅助资源三号立体测图的研究，初步结果表明采用GLAS高程数据辅助后资源三号高程精度可从无控10米左右提高到2.9米[13]。建立GLAS广义高程控制点库，开展广义高程控制点的提取，可以辅助光学卫星立体测图，同时为后续国产激光测高卫星广义控制点库的建设奠定基础。1星载激光测高1.1ICESat简介作为地球观测系统计划（EarthObservingSystem，EOS）的一部分，美国NASA于2013年1月13日在Vandenberg空军基地发射了ICESat（Ice，CloudandLandElevationSatellite），其上搭载的GLAS是第一个用于连续全球观测的星载激光测距系统[14]，其主要科学目的是测量极地冰盖高程及其变化，云层和气溶胶的分布特征等。ICESat卫星轨道高度约600km，轨道倾角为94o，可覆盖全球±86o的纬度范围。系统工作频率为40Hz，脉冲宽度为4ns，每秒钟同时发射波长为1064nm的红外激光和532nm的绿色激光。激光脉冲在地球表面形成的激光足印为直径70m的光斑，同一轨道的系列光斑间隔约为170m，相邻轨道在赤2道上的间隔约15km，在80o的高纬度地区间隔为2.5km。GLAS采用了高精度的波形收集设备、高效率的回波处理算法以及精密的卫星定位和定姿设备，使其系统具有很高的精度，其中平面精度可达10m量级，高程精度约15cm。ICESat自发射成功以来，获取了大量密集的高程数据，其空间和时间分辨率、空间定位与定姿能力以及高程精度等若干指标对于对地观测激光测高卫星有着里程碑式的意义。1.2GLAS数据ICESat卫星数据产品由戈达德航天飞行中心I-SIPS（ICESATScienceInvestigator-ledProcessingSystem）生成，根据GLAS接收到的回波信息提取各项物理参数，可以得到15种类别的标准数据产品，命名方式为GLA01-GLA15。系统数据文件由美国国家冰雪数据中心（NationalSnowandIceDataCenter，DistributedActiveArchiveCenter，NASANSIDCDAAC）对外公布，分为L1级和L2级两级数据，其中L1级数据又分为L1A和L1B两个分级数据。L1A级数据是未经数据处理，记录的基于时间序列的完整分辨率原始数据，包括GLA01-GLA04。L1B级数据是由L1A级数据经过器件校正，数据处理，基于姿态和位置数据进行激光脚点定位形成的，包括GLA05-GLA07。L2级数据是L1B级数据经过各种修正处理之后更为精确的，并且分为不同地表类型的高程和位置数据，以及用于距离、高程改正的各种修正数据，包括GLA08-GLA15。其中GLA12数据文件为冰盖高程数据，GLA13为海冰高程数据，GLA14为陆地高程数据，GLA15为海洋高程数据。1.3数据准备1.3.1基于回波波形的GLAS数据筛选本文采用的试验数据为GLA14数据，是测高系统陆地表面最终的数据处理结果，数据的采集时间主要集中在2007-2009年。GLAS系统虽然高程测量精度高，但是由于每个激光脉冲对应的地面光斑足印直径为70m，而GLA14级产品中给出的陆地高程值为每个激光足印的一个平均高程。因此，本文结合系统接收的回波波形信息对足印内的地形特征进行分析，通过一定的方法筛选出可用的GLAS数据作为高程控制点。激光足印的地形特征与回波波形信息存在一定的对应关系。通过仿真分析发现，地形的复杂程度对于回波波形的影响主要体现在回波的波峰数、波峰峰值、波峰对应的位置、展宽等方面。发射的激光脉冲为高斯型，所以接收到的波形也可由高斯函数进行模拟，由单一层面反射的波形可由一个高斯函数