陳新陽，喬志遠(yuǎn)，龍小祥，李慶鵬，劉嘯添，鐘慧敏，王小燕，王建華

1.中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094;

2.中國四維測繪技術(shù)有限公司,北京 100094;

3.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094

1 引言

激光測高就是利用激光脈沖來測定高度，激光測高儀可在植被特征測量（Simard 等，2011）、森林結(jié)構(gòu)三維建模（Knapp 等，2018）、極地冰雪觀測（馬躍 等，2015）以及大氣運(yùn)動、氣候觀測（Adriani 等，2004；Spang 等，2018）等方面發(fā)揮著重要的作用。

針對激光測高儀數(shù)據(jù)處理和檢校驗(yàn)證方案，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者利用已發(fā)射的載荷開展了相應(yīng)的研究。文漢江等（2011）采用GPS（Global Positioning System）測量數(shù)據(jù)對GLAS（Geo?science Laser Altimetry System）的高程精度進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并對兩者的觀測結(jié)果差異進(jìn)行了對比分析；李少寧（2017）以資源三號02 星在軌檢校為例，完成了星載激光對地測高系統(tǒng)在軌幾何定標(biāo)研究，結(jié)果表明平坦地區(qū)激光測高精度優(yōu)于0.5 m。

高分七號衛(wèi)星于2019 年11 月3 日發(fā)射，其上搭載的星載激光測高儀是中國首個自主研發(fā)的對地激光測繪載荷（黃庚華 等，2020）。與之前國內(nèi)外的激光載荷相比，高分七號激光測高儀有兩個新的特點(diǎn)：第一：高分七號激光測高儀采用了全波形記錄的測距體制，相對于2016 年發(fā)射的資源三號02 星，全波形記錄可以包含更多的信息，通過波形處理分析可以獲得探測區(qū)域內(nèi)地球表面地形特征和地物的反射率等信息。第二：與美國GLAS 衛(wèi)星相比，高分七號衛(wèi)星有兩個激光測高儀同時工作，每次數(shù)據(jù)采集可以得到間距為12.25 km的兩軌數(shù)據(jù)；與2018年發(fā)射的ICESat?2衛(wèi)星相比，高分七號衛(wèi)星可以記錄激光波形的全部特征，并用于分析反演，每個激光測高儀都配備足印相機(jī)，在發(fā)射激光的同時，對激光出射方向和激光光斑周圍的地物成像，記錄光斑周圍地物環(huán)境，與高分七號搭載的測繪相機(jī)匹配，可以得到激光足印控制點(diǎn)的位置信息。同時，足印相機(jī)還具備確定激光指向方向的作用（國愛燕 等，2020）。

本文實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首顆星載大光斑全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的自主處理與驗(yàn)證。本文構(gòu)建了針對高分七號衛(wèi)星激光測高儀的嚴(yán)密幾何定位模型，應(yīng)用了測距補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)了高分七號激光數(shù)據(jù)的高精度定位。在波形處理方面，為適應(yīng)高分七號新型全波形激光測高儀數(shù)據(jù)處理的要求，使用了移動重心和波形分解的峰值提取方法。同時，高分七號作為第一顆星載多波束全波形激光測高儀載荷，在其幾何檢校過程中，實(shí)現(xiàn)了基于地形匹配與紅外探測器結(jié)合的指向角標(biāo)定。在高程精度驗(yàn)證過程中，本文提出了以SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）高程驗(yàn)證法、平靜湖面高程驗(yàn)證法和野外定標(biāo)場高程驗(yàn)證法為一體的激光測高綜合驗(yàn)證方法，從而使星載激光測高儀高程精度驗(yàn)證過程更全面，結(jié)果更準(zhǔn)確。

2 方法和原理

2.1 高分七號激光測距原理

高分七號的激光測高儀發(fā)射激光脈沖達(dá)到地球表面，接收器接收返回脈沖的信號，通過計(jì)算激光脈沖特征參數(shù)測量激光器與地球表面距離。在測繪領(lǐng)域，可以根據(jù)同一位置激光器的實(shí)時高度和地球距離，計(jì)算地面高度（Anita等，2000）。

如圖1所示，圖中選取了高分七號激光測高儀一束激光的發(fā)射波波形和回波波形，中間省略了部分背景噪聲數(shù)據(jù)。激光測高儀安裝在衛(wèi)星上，并按照設(shè)定的頻率向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射激光脈沖，根據(jù)激光脈沖的往返飛行時差來計(jì)算搭載平臺到地面的距離：

圖1 激光測距示意圖Fig.1 Diagram of laser ranging

式中，?t代表激光脈沖的雙程傳輸時間，tT代表激光發(fā)射的時間，tR代表激光接收的時間。激光發(fā)射時間和激光接收時間在同一時間系統(tǒng)下記錄并且時間間隔?t很小。星載激光測高儀的在軌高度約為500 km，激光器發(fā)射的光束到達(dá)地球表面并返回激光器的時間大約為3.3 ms（單程約1.65 ms）。遵循雙程原則，激光光束達(dá)到地球表面并返回接收器的雙程距離ρ為

式中，c為光速。

衛(wèi)星激光光束達(dá)到地球表面并返回接收器的單程距離s可以用來計(jì)算

2.2 激光嚴(yán)密幾何定位模型構(gòu)建

根據(jù)攝影測量學(xué)經(jīng)典理論和激光測高技術(shù)基本原理，構(gòu)建了幾何定位的嚴(yán)密定位模型（張劍清 等，2003；李少寧，2017；李國元，2017；陳新陽，2019；Lian 等，2020）。該模型將高分七號衛(wèi)星在飛行過程中記錄的姿態(tài)數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)、時間數(shù)據(jù)以及從激光波形數(shù)據(jù)中提取的測距數(shù)據(jù)等參數(shù)用數(shù)學(xué)公式體現(xiàn)其內(nèi)在關(guān)系，并得到激光點(diǎn)對應(yīng)的地球表面上足印點(diǎn)的三維坐標(biāo)的計(jì)算流程。激光測高嚴(yán)密幾何模型如圖2所示，定義高分七號激光發(fā)射的參考點(diǎn)為Plaser，GPS 天線的相位中心為PGPS，高分七號衛(wèi)星質(zhì)心為Obody，地面激光足印點(diǎn)為Pground。激光單程傳輸距離為ρ。

圖2 激光測高嚴(yán)密幾何模型示意圖Fig.2 Diagram of laser altimetry geometric model

高分七號激光器發(fā)射激光波束時指向與高分七號衛(wèi)星本體坐標(biāo)系存在一定的夾角，假設(shè)激光光束指向與本體坐標(biāo)系Z 軸的負(fù)向夾角為θ，在XOY平面上的投影與X軸正向夾角為α，如圖3所示。

圖3 激光光束發(fā)射方向與本體坐標(biāo)系夾角示意圖Fig.3 Angle between laser beam emission direction and body coordinate system

根據(jù)2.1 節(jié)的高分七號激光測距原理，可以求得高分七號激光測高儀的測距值ρ，再考慮由大氣折射及硬件誤差等構(gòu)成的高分七號激光測高儀測距改正值?ρ，可以得到高分七號激光腳點(diǎn)在衛(wèi)星本體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，如式（4）所示：

式中，?L=[Lx Ly Lz]T為高分七號激光測高儀參考點(diǎn)在本體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。由于高分七號激光測高儀GPS 相位中心與衛(wèi)星整星質(zhì)心沒有完全重合，因此還需要進(jìn)行高分七號激光測高儀參考點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。依此原理，可以得到高分七號激光測高衛(wèi)星的嚴(yán)密幾何定位公式：

指向角θ和α為實(shí)驗(yàn)室測量值，衛(wèi)星剛發(fā)射的一段時間會以實(shí)驗(yàn)室測量值作為數(shù)據(jù)處理時的參數(shù)，但是實(shí)驗(yàn)室測量可能會存在不可避免的誤差，另外隨著衛(wèi)星上天后在微重為環(huán)境下指向角會發(fā)生變化，因此在衛(wèi)星在軌運(yùn)行平穩(wěn)后，需要對指向角θ和α定期進(jìn)行精確的在軌幾何檢校。同時，為了便于計(jì)算，通常將指向投影到坐標(biāo)軸的3 個方向O?XYZ 上，得到常用的三軸指向角參數(shù)（Angle_X，Angle_Y，Angle_Z）。兩者的幾何關(guān)系如式6所示：

2.3 波形峰值提取

高分七號衛(wèi)星在國內(nèi)首次采用全波形方式記錄激光信號，根據(jù)2.1 節(jié)中高分七號衛(wèi)星測距原理，為獲取激光的測距值，需要提取高分七號衛(wèi)星激光測高儀入射波和反射波的波峰位置，但是由于背景噪聲的存在，一個波形的最大值處并不一定為波形實(shí)際波峰的位置。為減少噪聲對測距值的影響，準(zhǔn)確獲得激光波形的波峰位置，本文在入射波峰值提取時提出了移動重心峰值提取方法，同時結(jié)合波形分解提取回波峰值。

2.3.1 移動重心峰值提取法

首先設(shè)定搜索寬度閾值，從信號開始位置為起點(diǎn)，以閾值為搜索寬度，從前向后依次計(jì)算搜索區(qū)間內(nèi)的重心，并以最大強(qiáng)度能量的重心作為該波形信號的最強(qiáng)反射波峰的位置。

X為每個搜索區(qū)間的重心位置，根據(jù)高分七號激光信號的特點(diǎn)，本文選擇20 為搜索區(qū)間閾值，Value（i）為回波波形的DN 值，sum為每個搜索區(qū)間內(nèi)各信號DN 值的總和。根據(jù)式（7）即可求得每個搜索區(qū)間的重心位置。

高分七號激光測高儀發(fā)射波都為單一波峰，每個區(qū)間提出一個重心位置，這些重心DN 值最大處即為該波形的波峰位置。

2.3.2 波形分解

對于星載激光測高儀的回波波形，當(dāng)激光光斑照射在海洋、海冰、平地等平坦的表面時，返回波形往往只有一個波峰，激光光斑照射在高低起伏的山區(qū)、樹林或者復(fù)雜的冰面時，一個光斑內(nèi)的返回波往往會有多個波峰，同時由于地表粗糙程度不同、地表坡度不同，會造成回波波形出現(xiàn)展寬現(xiàn)象。由于這些波形都是由一個或多個高斯信號疊加而成的，因此，在數(shù)據(jù)處理過程中需要進(jìn)行高斯分解（李少寧，2017；李鵬程 等，2015）。

波形分解時首先需要估算每個高斯分量的初始參數(shù)，將初始估計(jì)參數(shù)值代入模型中進(jìn)行最小二乘迭代，求解最優(yōu)參數(shù)。利用高斯分布函數(shù)進(jìn)行波形擬合公式：

式中，t為波形的起始時刻，Am、tm、σm為第m個波形分量的幅值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差，ε為背景噪聲。

經(jīng)過波形分解，無論是單一波峰還是多個波峰，最后一個波形分量對應(yīng)地表波形的波峰，該分量對應(yīng)的擬合后的tm即波峰位置。

2.4 星載激光幾何檢校

星載激光幾何檢校主要包括指向角標(biāo)定和測高精度驗(yàn)證兩個方面。目前的驗(yàn)證方法中，野外布設(shè)紅外探測儀檢校是最有效、最精確的方法，但是由于該方法成本高，受天氣、地形影響大的原因，不能進(jìn)行大范圍檢校驗(yàn)證。本文提出基于地形匹配與紅外探測器結(jié)合的方法進(jìn)行激光測高儀指向角標(biāo)定，同時，提出了SRTM 高程驗(yàn)證法、湖面高程驗(yàn)證法和野外定標(biāo)場高程驗(yàn)證法綜合驗(yàn)證方法進(jìn)行測高精度驗(yàn)證，從而提高了星載激光檢校的準(zhǔn)確性和時效性。

2.4.1 激光測高儀指向角標(biāo)定

標(biāo)定激光測高儀指向與衛(wèi)星姿態(tài)測量系統(tǒng)間夾角關(guān)系，分析激光測高儀指向與足印相機(jī)的幾何關(guān)系及時延系統(tǒng)誤差，消除激光測高儀與足印相機(jī)間的定位殘差，然后利用定標(biāo)結(jié)果進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)，從而提高獲取的激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)精度，達(dá)到方便后續(xù)利用激光腳點(diǎn)坐標(biāo)提高雙線陣立體測繪影像產(chǎn)品高程精度的目的。

（1）激光測高儀初檢校。由于星地間距較遠(yuǎn)，在指向角不確定的情況下，直接布設(shè)靶標(biāo)可能收效甚微。為了提高幾何檢校的效率，首先需要采用地形匹配法對激光器的指向角進(jìn)行初步檢校。利用激光測高儀的星下點(diǎn)，利用激光定位模型解算的激光足印點(diǎn)和衛(wèi)星軌道處于同一平面內(nèi)，得到激光足印軌跡。再利用激光足印點(diǎn)的初始測高值與相應(yīng)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配處理，地形匹配模型如下式所示：

式中，r為激光點(diǎn)與地形的匹配相關(guān)系數(shù)，（B，L）為遍歷區(qū)域內(nèi)對應(yīng)DEM 數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)，n為激光點(diǎn)序列點(diǎn)個數(shù)，xi為激光測高值，yi激光點(diǎn)對應(yīng)的DEM高程值，、分別為xi、yi的均值。

在遍歷范圍內(nèi)，以實(shí)驗(yàn)室測得的激光測高儀原始指向?yàn)榛鶞?zhǔn)，確定指向角的偏離范圍，并在該偏離范圍內(nèi)形成指向角格網(wǎng)，然后取指向角格網(wǎng)范圍內(nèi)的每個指向角帶入式（5），以此類推，激光序列與此處的DSM 數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建相關(guān)關(guān)系最大處，獲取最佳的指向角參數(shù)。

通過地形匹配的方法，初步得到激光指向角參數(shù)，精確的指向角參數(shù)需要通過布設(shè)地面探測器來獲得。

（2）地面探測器激光測高儀幾何檢校。選擇平坦的區(qū)域，鋪設(shè)地面紅外探測器，根據(jù)激光過境時，觸發(fā)的探測器以及地面探測器位置計(jì)算出激光足印地面最優(yōu)位置和足印的形狀。

在布設(shè)地面探測器前，基于衛(wèi)星軌道與姿態(tài)指向預(yù)報(bào)信息，結(jié)合地形匹配法得到的激光指向角初始參數(shù)，預(yù)估激光光斑的位置，布設(shè)一定范圍的紅外探測器，確保外場試驗(yàn)可有效捕捉激光足印光斑。

衛(wèi)星過境后，捕獲到激光信號的探測器會顯示能量值，能量值越大，說明此處光斑能量越強(qiáng)。利用RTK（Real?time Kinematic）測量被觸發(fā)的探測器的精確位置，并采用高斯曲面方程對觸發(fā)的探測器進(jìn)行擬合，擬合方程如下：

式中，f(x，y)為每個探測器的能量值，（x0，y0）為待求激光光斑質(zhì)心地面坐標(biāo)，（x，y）為被觸發(fā)探測器的坐標(biāo)，A為高斯曲面的峰值，σx，σy為高斯曲面對應(yīng)橢圓的長短半軸。

一般認(rèn)為擬合后的質(zhì)心（x0，y0）位置為激光光斑質(zhì)心的最優(yōu)位置，并通過實(shí)測高斯曲面中心的高程得到三維坐標(biāo)，將該三維坐標(biāo)帶入式（5）中，等式左邊激光點(diǎn)實(shí)際位置作為已知項(xiàng)，指向角θ、α和測距系統(tǒng)偏差為待求項(xiàng)，即可解算出星載激光指向與測距系統(tǒng)偏差。具體流程如圖4所示。

圖4 激光測高儀幾何定標(biāo)流程圖Fig.4 Flow chart of this paper

2.4.2 激光測高儀測高精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證激光測高儀的高度解算結(jié)果，本文提出SRTM 高程驗(yàn)證法、湖面高程驗(yàn)證法和野外定標(biāo)場高程驗(yàn)證法綜合驗(yàn)證方法，分別從整體精度、測高穩(wěn)定度和局部詳細(xì)精度3個方面驗(yàn)證激光測高儀高程精度。

（1）SRTM 高程驗(yàn)證法。SRTM 是美國航空航天局與美國國防部國家測繪局聯(lián)合測量的，其分辨率為1″，絕對高程精度優(yōu)于16 m，相對高程精度優(yōu)于10 m；絕對定位精度優(yōu)于20 m，相對定位精度優(yōu)于5 m（唐新明 等，2021）。SRTM?30 是能夠公開大范圍獲取的最高精度的DEM 數(shù)據(jù)，可以作為激光測高精度初驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行激光測高精度的初驗(yàn)證。由于SRTM 數(shù)據(jù)高程精度與激光測高精度設(shè)計(jì)精度相比仍然較低，因此本文選擇了內(nèi)蒙古自治區(qū)地形較平坦、高程變化較小的草原地區(qū)作為本次驗(yàn)證的區(qū)域。選取過檢校區(qū)的激光數(shù)據(jù)，對比激光點(diǎn)高程與同一位置激光點(diǎn)的高程，計(jì)算整體中誤差。

（2）平靜湖面激光測高驗(yàn)證方法。平靜的內(nèi)陸湖面具有高程變化相對較小、驗(yàn)證面積大、驗(yàn)證成本低的特點(diǎn)，是進(jìn)行激光測高精度和高程測量穩(wěn)定度的理想?yún)^(qū)域。通過提取落在湖面區(qū)域的激光高程值，分析激光測高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

（3）野外定標(biāo)場激光測高精度測試。激光測高精度檢驗(yàn)最準(zhǔn)確的方式還是通過野外定標(biāo)場實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢查。在野外定標(biāo)過程中，首先，在檢校場附近平坦地區(qū)挑選多軌激光測高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提取校正后計(jì)算得到的產(chǎn)品經(jīng)緯度坐標(biāo)。然后，根據(jù)激光足印點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)，利用高精度GPS?RTK 設(shè)備測量相應(yīng)的外業(yè)實(shí)測高程值，外業(yè)實(shí)測高程精度滿足0.05 m，對比計(jì)算激光測高標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的絕對精度。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)

2019 年11 月5 日，高分七號衛(wèi)星獲取了第一軌星載大光斑激光測高儀數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證激光測高儀數(shù)據(jù)的精度，結(jié)合ICESat/GLAS，ZY3?02 等激光載荷在軌激光定標(biāo)經(jīng)驗(yàn)，以及光學(xué)CCD 相機(jī)在軌幾何檢校經(jīng)驗(yàn)（徐文 等，2012；蔣永華 等，2013；張過 等，2017；Lian 等，2020），本文設(shè)計(jì)了高分七號測高儀指向角標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和測高精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，從高分七號衛(wèi)星在軌運(yùn)行后獲得的數(shù)據(jù)中挑選相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以消除硬件方面的系統(tǒng)性偏差，并從不同角度驗(yàn)證星激光測高數(shù)據(jù)處理的精度。

3.2 激光測高儀指向角標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)2.4.1 節(jié)的方法，由中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心牽頭，聯(lián)合多家相關(guān)單位，于2020年6月至7月在內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)進(jìn)行了多次在軌幾何檢校試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)從6月15日到7月19日共捕獲成功5次激光足印，其中，波束一于6月15日、7月14日成功捕獲3個光斑，波束二于7月19日成功捕獲兩個光斑。如圖5所示，為6月15日實(shí)驗(yàn)軌數(shù)據(jù)位置示意圖。每次實(shí)驗(yàn)前，基于衛(wèi)星軌道與姿態(tài)指向預(yù)報(bào)信息，結(jié)合高精度地理參考數(shù)據(jù)，預(yù)估激光指向角，確保外場試驗(yàn)可有效捕捉激光足印光斑高程精度。根據(jù)預(yù)測結(jié)果采用自動調(diào)平的探測器捕獲激光足印，高分七號衛(wèi)星的光斑大約為15—20 m，由于存在大氣散射的問題，激光光斑的能量分布范圍將被拓寬。綜合考慮試驗(yàn)場環(huán)境、儀器數(shù)量、實(shí)驗(yàn)技術(shù)要求等因素，本次外場實(shí)驗(yàn)過程中靶標(biāo)間的間隔設(shè)在5—7.5 m。以7月14日在軌定標(biāo)實(shí)驗(yàn)為例，如圖6所示為激光紅外探測器布置圖和接收到的光斑能量結(jié)果。

圖5 高分七號激光器檢校數(shù)據(jù)Fig.5 Calibration data of GF?7 laser altimeter

圖6 激光測高儀紅外探測器布設(shè)及探測圖（坐標(biāo)軸為實(shí)驗(yàn)時鋪設(shè)靶標(biāo)數(shù)量，顏色代表激光器接收到的能量強(qiáng)度）Fig.6 IR detectors of laser altimeter and results（Axis represent the number of IR detectors and the color represents the energy）

通過靶標(biāo)獲取的激光光斑位置信息，與使用實(shí)驗(yàn)室激光安裝角度信息進(jìn)行對比，同時將指向角θ和α投影到坐標(biāo)軸的3個方向O?XYZ 上，得到常用的三軸指向角參數(shù)（Angle_X，Angle_Y，Angle_Z）。經(jīng)過計(jì)算，確定兩個激光器的指向變化，校正激光器指向角。

校正激光指向角后，使用校正后的指向角參數(shù)帶入式（5）計(jì)算外場實(shí)驗(yàn)捕獲到的激光光斑的位置，并與外場實(shí)驗(yàn)時靶標(biāo)獲取激光光斑的實(shí)際位置進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 激光測高儀定標(biāo)結(jié)果Table 1 Results of laser altimeter calibration

激光器指向標(biāo)定，消除指向角誤差后，激光器1 兩個實(shí)測點(diǎn)位經(jīng)緯度誤差優(yōu)于10?5°，高程方向，誤差最大0.078 m；激光器2兩個實(shí)測點(diǎn)位經(jīng)緯度誤差優(yōu)于10?5°，高程方向，誤差最大0.136 m。

同時，利用足印相機(jī)進(jìn)行平面對比分析：將地面實(shí)際點(diǎn)位中心反算到足印相機(jī)像方，通過像點(diǎn)坐標(biāo)穩(wěn)定性復(fù)核激光定標(biāo)精度。

高分七號足印影像分辨率為3.2 m，根據(jù)表2中的行列坐標(biāo)誤差，可以得到7 月14 日的足印相機(jī)平面方面，誤差為垂軌方向?yàn)?.1×3.2=0.32 m、沿軌方向?yàn)?.06×3.2=0.192 m。與采用激光對地高程反演的位置差一致。

表2 激光測高儀定標(biāo)結(jié)果（像點(diǎn)位置）Table 2 Results of laser altimeter calibration（pixel position）

可見激光器1兩組參數(shù)互檢的平面誤差最大為0.35 m，對應(yīng)指向角誤差約為0.15″，表明激光連續(xù)測距（短距離）的穩(wěn)定性和標(biāo)定精度優(yōu)于0.1 m；

激光器2兩組參數(shù)互檢的平面誤差最大為0.9 m，對應(yīng)指向角誤差約為0.38″，表明激光連續(xù)測距（短距離）的穩(wěn)定性和標(biāo)定精度優(yōu)于0.15 m。

3.3 SRTM高程驗(yàn)證結(jié)果

本文選取了2020年6月5日第3267軌，2020年7月24日第4010軌，2021年2月25日第7298軌，經(jīng)過內(nèi)蒙古的3軌激光數(shù)據(jù)。結(jié)果如表3、表4所示。

表3 激光器1測高精度初步驗(yàn)證Table 3 Beam 1 laser elevation precision

表4 激光器2測高精度初步驗(yàn)證Table 4 Beam 1 laser elevation precision

由表可以看出，與SRTM 對比，激光器1 的高程精度為0.772±1.969 m，激光器2 的高程精度為0.661±2.091 m。結(jié)果表明，兩個激光器的測高誤差均值均優(yōu)于1 m，標(biāo)準(zhǔn)差約為2 m。標(biāo)準(zhǔn)差較大與DEM 精度低于激光測高的精度有關(guān)從一定程度上，初步驗(yàn)證了激光測高的精度。

3.4 平靜湖面激光測高驗(yàn)證結(jié)果

本文選取了2020 年11 月26 日開機(jī)第5914 軌、2021 年1 月29 日第6899 軌，過青海省青海湖湖面的激光點(diǎn)，分析高分七號激光波束1、2 的測高相對精度。

如表5—表8 所示，通過兩軌數(shù)據(jù)的結(jié)果，可以得出激光器1 的測高精度（方差）優(yōu)于0.07 m，激光器2 的測高精度（方差）優(yōu)于0.09 m。說明激光測高儀具有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

表5 5914軌湖面激光器1測高結(jié)果Table 5 The 5914th track beam 1 laser elevation precision compare to Qinghai Lake

表6 5914軌湖面激光器2測高結(jié)果Table 6 The 5914th track beam 2 laser elevation precision compare to Qinghai Lake

表7 6899軌湖面激光器1測高結(jié)果Table 7 The 6899th track beam 1 laser elevation precision compare to Qinghai Lake

表8 6899軌湖面激光器2測高結(jié)果Table 8 The 6899th track beam 2 laser elevation precision compare to Qinghai Lake

3.5 野外定標(biāo)場激光測高驗(yàn)證結(jié)果

本文選擇6 月15 日到7 月19 日內(nèi)蒙古呼倫貝爾激光外場定標(biāo)實(shí)驗(yàn)捕獲成功到的5 軌激光數(shù)據(jù)，利用解算出的定標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行高程解算，與當(dāng)日實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比對分析。

根據(jù)表9數(shù)據(jù)可知，不同時間不同軌道上在平地上的高程精度優(yōu)于0.15 m。對于不同地形激光測高精度同時受到地形和衛(wèi)星平面定位精度的影響。通過立體相機(jī)無控定位精度分析可知衛(wèi)星平臺的無控定位精度優(yōu)于6.5 m，與不同時間不同軌道上的激光平面精度（6.8 m）基本吻合。分析坡度15°下高程精度約為1.75 m，主要誤差來源為衛(wèi)星定位偏差在大坡度上引起的高程誤差。

表9 激光測高精度結(jié)果Table 9 Height accuracy of laser altimetry

4 結(jié)論

本文針對第一顆國產(chǎn)全波形激光雷達(dá)——高分七號激光測高儀幾何定位、波形數(shù)據(jù)處理和檢校驗(yàn)證的問題，在已有星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法和檢校驗(yàn)證方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了針對高分七號衛(wèi)星激光測高儀的嚴(yán)密幾何定位模型，應(yīng)用了測距補(bǔ)償模型實(shí)現(xiàn)了基于地形匹配與紅外探測器結(jié)合的激光測高儀指向角標(biāo)定，最后提出了綜合的測高精度驗(yàn)證方法。將這些方法成功應(yīng)用于高分七號星載激光測高儀數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了星載大光斑全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的自主處理與驗(yàn)證，并得出了以下結(jié)論：

（1）激光器1 對應(yīng)指向角誤差約為0.15″，激光器2對應(yīng)指向角誤差約為0.38″；

（2）通過平靜湖面測試證明激光測高數(shù)據(jù)處理精度高，穩(wěn)定性好；

（3）經(jīng)過地面靶標(biāo)驗(yàn)證，激光器指向角誤差修正后，激光測高在平地的測高誤差小于0.15 m。

結(jié)果表明，本文提出的高分七號星載激光定位方法和精度驗(yàn)證方案，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)第一顆星載全波形激光測高儀數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)精度高，可以滿足后續(xù)高分七號科學(xué)研究和大規(guī)模業(yè)務(wù)化應(yīng)用的要求。同時，本文形成的星載激光測高儀檢校驗(yàn)證方案，可以用于未來國產(chǎn)激光載荷衛(wèi)星的精度驗(yàn)證。由于后續(xù)激光測高衛(wèi)星波束的增加和激光檢校外場實(shí)驗(yàn)的限制，對于星載激光測高儀綜合校驗(yàn)方案還需要進(jìn)一步探索與完善。