本文內(nèi)容來(lái)源于《測(cè)繪學(xué)報(bào)》2022年第6期（審圖號(hào)GS京（2022）0149號(hào)）
星
, 田祥希, 李爽, 李韌菲
普渡大學(xué)土木工程學(xué)院, 西拉法葉, IN 47907, 美國(guó)
摘要：星載激光(雷達(dá))測(cè)高技術(shù)已經(jīng)逐步成為全方位全球觀測(cè)的技術(shù)手段之一，其高測(cè)量精度、全天時(shí)測(cè)量能力、高效三維測(cè)量的特點(diǎn)在許多科學(xué)領(lǐng)域都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文討論當(dāng)前兩類星載激光測(cè)高技術(shù)的工作原理、數(shù)據(jù)處理方法，并探討了星載激光測(cè)高數(shù)據(jù)在對(duì)地觀測(cè)和深空觀測(cè)科學(xué)研究中的代表性應(yīng)用; 最后展望了未來(lái)星載激光測(cè)高技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。期望本文對(duì)從事星載激光測(cè)高研究、開發(fā)和應(yīng)用的同行們有所裨益。
關(guān)鍵詞：星載激光測(cè)高 地形測(cè)繪 林業(yè)生態(tài)測(cè)繪 極地海洋測(cè)繪 行星測(cè)繪 線性激光雷達(dá) 光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)
引文格式：?jiǎn)谓? 田祥希, 李爽, 等. 星載激光測(cè)高技術(shù)進(jìn)展[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào)，2022，51(6)：964-982. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220174
SHAN Jie, TIAN Xiangxi, LI Shuang, et al. Advances of spaceborne laser altimetry technology[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(6): 964-982. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220174
閱讀全文：http://xb.sinomaps.com/article/2022/1001-1595/20220616.htm
引 言
激光(雷達(dá))測(cè)高作為一種主動(dòng)式遙感技術(shù)，是現(xiàn)代雷達(dá)探測(cè)技術(shù)從厘米波和毫米波向光波探測(cè)技術(shù)的延伸。具有測(cè)量精度高、時(shí)空分辨率高、垂直分辨率高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于三維成像、地球觀測(cè)和行星探測(cè)等領(lǐng)域[1]。特別是近幾年，隨著激光技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，星載激光探測(cè)技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展[2]。激光雷達(dá)、光譜成像技術(shù)和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)被列為地球觀測(cè)系統(tǒng)的核心信息技術(shù)[3]。鑒于機(jī)載激光測(cè)高的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，本文主要討論星載激光測(cè)高技術(shù)，但在工作原理和數(shù)據(jù)處理的方法上兩者往往是相通的。
早期的激光測(cè)高儀采用離散記錄方式，通過(guò)采樣獲得多個(gè)回波信號(hào)的三維空間位置。美國(guó)火星軌道器激光測(cè)高儀(Mars Orbiter Laser Altimeter, MOLA)和月球軌道器激光測(cè)高儀(Lunar Orbiter Laster Altimeter, LOLA)是離散激光的典型例子。與離散激光雷達(dá)不同，全波形激光測(cè)高儀向地面發(fā)射激光，接收地面反射的激光脈沖信號(hào)，并記錄激光全波形回波信號(hào); ICESat(Ice, Cloud and land Elevation Satellite)衛(wèi)星上搭載的地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(Geoscience Laster Altimeter, GLAS)是全波形激光測(cè)高儀的典型例子。在2018年美國(guó)國(guó)家宇航局NASA發(fā)射的ICESat-2(Ice, Cloud and land Elevation Satellite-2)衛(wèi)星上，首次搭載了光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)[4]。光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的發(fā)射器具有低能量、高脈沖重復(fù)頻率的特點(diǎn)，并且采用高靈敏度的單光子探測(cè)器(即接收器)，可以獲取光斑(足印)更小、密度更高的光子點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的地表三維信息獲取[5-6]。
與機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)相比，星載激光具有覆蓋范圍廣和運(yùn)行軌道高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制作全球控制點(diǎn)庫(kù)、監(jiān)測(cè)極地冰川和湖中水位的變化，以及估算森林生物量、碳儲(chǔ)量等[7]。需要指出的是，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)能同時(shí)沿飛行方向和其垂直飛行方向進(jìn)行掃描，目前星載激光測(cè)高技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)沿軌方向掃描，但就基本原理而言兩者都是激光測(cè)距(測(cè)高)。目前已有多顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星搭載了激光測(cè)高系統(tǒng)，其中包括2003年的美國(guó)NASA發(fā)射的ICESat，其上搭載的地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)GLAS是世界上第一個(gè)對(duì)地球進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)的激光系統(tǒng)，主要用于監(jiān)測(cè)南極洲和格陵蘭冰蓋的高程變化、測(cè)量全球范圍內(nèi)云層高度和云/氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)以及森林垂直結(jié)構(gòu)信息[8]。2009年ICESat失效后，NASA于2018年先后發(fā)射ICESat-2和GEDI(Global Ecosystem Dynamics Investigation)，前者搭載了光子計(jì)數(shù)激光測(cè)高儀，后者則是全波形激光雷達(dá)載荷[6]; 2019年中國(guó)發(fā)射的高分七號(hào)衛(wèi)星，同時(shí)搭載了全波形激光測(cè)高儀和雙線陣立體相機(jī)[9]。
本文對(duì)星載激光測(cè)高系統(tǒng)的工作原理，數(shù)據(jù)處理方法以及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)討論和歸納，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。
1 星載激光測(cè)高原理
星載激光測(cè)高的發(fā)展歷史可以追溯至R.W.Hellwarth和F.J.McClung于1962年發(fā)明的調(diào)Q(又稱“Q開關(guān)”)脈沖激光器。由于其產(chǎn)生的巨脈沖激光有足夠高的峰值功率，使得遠(yuǎn)距離脈沖激光測(cè)距成為可能。早在1971年阿波羅15號(hào)就搭載了調(diào)Q脈沖激光器并完成了多次繞月激光測(cè)距探測(cè)[10]; 此后，星載激光測(cè)高儀被廣泛應(yīng)用于對(duì)地球及其他星體的探測(cè)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的探索，星載激光測(cè)高技術(shù)得到了極大的發(fā)展，目前已有多個(gè)搭載了激光測(cè)高儀的衛(wèi)星發(fā)射升空。根據(jù)探測(cè)原理的不同，將分兩類針對(duì)迄今為止的幾個(gè)典型的星載激光測(cè)高系統(tǒng)進(jìn)行討論。
1.1 線性探測(cè)激光測(cè)高系統(tǒng)
從原理來(lái)看，激光測(cè)高技術(shù)的核心是激光測(cè)距。傳統(tǒng)激光測(cè)高儀主要采用線性探測(cè)原理(即按線性關(guān)系進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換)，通過(guò)測(cè)量自激光脈沖發(fā)射至接收到目標(biāo)回波信號(hào)的時(shí)間間隔，計(jì)算光在該時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)過(guò)距離的一半，即為探測(cè)器至目標(biāo)的距離[11]。典型的星載激光雷達(dá)系統(tǒng)主要由三部分組成，即發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和位置姿態(tài)系統(tǒng)。
1.1.1 激光發(fā)射系統(tǒng)
由于作用距離較遠(yuǎn)，星載激光測(cè)高儀的發(fā)射系統(tǒng)只能采用脈沖激光。到20世紀(jì)80年代，星載激光測(cè)距儀一直使用氪燈或氙燈泵浦固體激光器作為發(fā)射系統(tǒng)的光源[2]。20世紀(jì)90年代，搭載了第一代應(yīng)用于空間探測(cè)的半導(dǎo)體泵浦固體激光器(Diode-pumped solid-state lastor, DPSSL)的火星軌道器激光測(cè)高儀(MOLA)于1996年由美國(guó)國(guó)家宇航局發(fā)射。因其壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體泵浦固體激光器自此取代了氪燈或氙燈泵浦固體激光器的主導(dǎo)地位，逐漸成為各國(guó)星載激光測(cè)高儀的首選光源。NASA于2003年發(fā)射的第一顆主要用于冰、云和陸地測(cè)量的衛(wèi)星(ICESat)所搭載的地球科學(xué)激光測(cè)高系統(tǒng)(GLAS)配備了3臺(tái)半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器(其中2臺(tái)為備份激光器)[12]。GLAS的激光器采用了二極管泵浦調(diào)Q結(jié)構(gòu)，能同時(shí)輸出1064 nm基頻和532 nm倍頻激光脈沖，前者用于開展地表高程探測(cè)，后者則用于開展氣溶膠、云垂直分布廓線的探測(cè)[12]。作為中國(guó)星載激光測(cè)高儀的首次應(yīng)用，2007年和2013年分別發(fā)射的對(duì)月觀測(cè)嫦娥(CE)一號(hào)、二號(hào)上所搭載的激光器也均采用了半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器作為發(fā)射系統(tǒng)的光源，發(fā)射的1064 nm基頻激光用于高精度量測(cè)月球表面的高程[2]。中國(guó)首個(gè)對(duì)地試驗(yàn)激光測(cè)高儀隨著2016年資源三號(hào)02衛(wèi)星的升空正式開展對(duì)地測(cè)高探索，這臺(tái)試驗(yàn)激光測(cè)高儀也采用了半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器。
以上所討論的激光測(cè)高儀的發(fā)射系統(tǒng)均使用單波束發(fā)射系統(tǒng)，即單個(gè)半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器。單波束激光器的劣勢(shì)在于為了實(shí)現(xiàn)在掃描方式下高密度、高覆蓋的目標(biāo)采樣，單個(gè)激光器的重復(fù)頻率需要足夠高。但是星載激光測(cè)高儀的重復(fù)頻率受制于系統(tǒng)體積、質(zhì)量和功耗等因素，高功率脈沖激光器的重復(fù)頻率無(wú)法做得非常高。因此多波束激光器的推帚式探測(cè)是如今頗具優(yōu)勢(shì)和潛能的激光發(fā)射系統(tǒng)[2]。美國(guó)用于對(duì)月觀測(cè)的LOLA即為采用了多波束激光器的測(cè)高儀。搭載在國(guó)際空間站(International Space Station, ISS)上的全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)(GEDI)激光雷達(dá)于2018年成功發(fā)射。GEDI擁有3臺(tái)同時(shí)工作的半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)多波束對(duì)地觀測(cè)的星載激光雷達(dá)[13]。中國(guó)隨后在2019年發(fā)射的對(duì)地立體測(cè)繪衛(wèi)星高分七號(hào)上也搭載了多波束激光發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)配備了4臺(tái)半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器，采取2主2備的形式，在任意時(shí)刻都有2臺(tái)激光器同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)了雙波束對(duì)地激光測(cè)高[10]。
1.1.2 信號(hào)接收系統(tǒng)
線性探測(cè)激光測(cè)高儀的接收系統(tǒng)主要由一個(gè)雪崩光電二極管(Avalanche photodiode, APD)和一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)組成。信號(hào)接收系統(tǒng)先由APD將接收到的回波轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。線性探測(cè)原理的“線性”正是體現(xiàn)在APD的輸入光信號(hào)和輸出的模擬信號(hào)線性相關(guān)[14]。目前在空間激光測(cè)高儀接收系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的是硅APD，其靈敏度高，且具有響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)[15]。
對(duì)接收到的回波信號(hào)，線性探測(cè)原理有兩種不同的數(shù)據(jù)記錄方式。因而，線性探測(cè)原理下的激光雷達(dá)也經(jīng)常分為兩類：離散激光雷達(dá)和全波形激光雷達(dá)。前者記錄若干離散的回波信號(hào)，后者則以很小的時(shí)間間隔對(duì)目標(biāo)接收到激光脈沖后返回的能量進(jìn)行完整的采樣記錄[16]。
早期的星載線性探測(cè)激光測(cè)高儀都為離散記錄方式，通常不超過(guò)4個(gè)回波信號(hào)記錄。雖然離散激光雷達(dá)的確能采集到高精度的測(cè)高數(shù)據(jù)，但是它的劣勢(shì)也非常明顯。由于記錄回波信號(hào)個(gè)數(shù)的限制，離散激光雷達(dá)無(wú)法記錄茂密高大的樹林，因此難以對(duì)這類區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。此外，其離散的記錄方式會(huì)造成高達(dá)2.0 m的盲區(qū)(dead zone effect)，也就是說(shuō)當(dāng)兩個(gè)鄰近目標(biāo)的垂直距離小于2.0 m時(shí)，離散激光雷達(dá)無(wú)法檢測(cè)到第二個(gè)目標(biāo)的存在[17]。對(duì)非地球觀測(cè)或?qū)π⌒行怯^測(cè)來(lái)說(shuō)，由于不受植被影響，因此常采用離散激光雷達(dá)探測(cè)。例如1994年NASA發(fā)射的對(duì)月觀測(cè)衛(wèi)星Clementine上的LiDAR測(cè)高儀，NASA 1996年的火星探測(cè)衛(wèi)星MGS(Mars Global Surveyor)上的MOLA測(cè)高儀，2009年的月球探測(cè)衛(wèi)星LRO(Lunar Reconnaissance Orbiter)上的LOLA測(cè)高儀，以及近些年中國(guó)發(fā)射的月球觀測(cè)衛(wèi)星嫦娥一號(hào)(CE-1)、嫦娥二號(hào)(CE-2)搭載的激光測(cè)高儀[18]均為離散激光雷達(dá)。
與離散激光雷達(dá)不同，全波形激光雷達(dá)對(duì)完整回波波形按時(shí)間間隔進(jìn)行記錄。除了能提供高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，全波形激光雷達(dá)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)還涵括了許多其他信息，包括回波波形特征和回波的強(qiáng)度，因此它能對(duì)地表和地表植被結(jié)構(gòu)采集到豐富全面的數(shù)據(jù)[17, 19]。研究表明，無(wú)論是從測(cè)距精度、目標(biāo)特征，還是目標(biāo)辨別能力來(lái)看，全波形激光雷達(dá)相比離散激光雷達(dá)都有著更大的潛能和優(yōu)勢(shì)[17]。2003年ICESat衛(wèi)星所搭載的GLAS就是由NASA發(fā)射的第一顆星載全波形激光測(cè)高儀，其采集到的數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于反演區(qū)域尺度的森林高度和生物量等參數(shù)[7]。2019年發(fā)射的高分七號(hào)衛(wèi)星搭載的激光測(cè)高儀是中國(guó)首臺(tái)全波形星載激光測(cè)高儀，其主要目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)1 10 000的測(cè)繪提供高精度的地面高程控制點(diǎn)。結(jié)合其雙波束激光器的特點(diǎn)，高分七號(hào)激光測(cè)高數(shù)據(jù)將能提供密集的地面點(diǎn)，因此能為全球氣候變化和海洋監(jiān)測(cè)提供有效的數(shù)據(jù)源，同時(shí)也能在植被高度提取、植被特征分類和全球生物量估計(jì)方面進(jìn)行多學(xué)科研究[18, 20]。
1.2 光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)
光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究發(fā)展可以追溯到20世紀(jì)90年代，文獻(xiàn)[21]提出用光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量。近些年，因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)受到越來(lái)越多的研究學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。不論是離散激光雷達(dá)還是全波形激光雷達(dá)，線性探測(cè)激光雷達(dá)需要通過(guò)光子流(500~1000個(gè)光子)來(lái)記錄返回的信號(hào)，只有足夠大的激光發(fā)射能量才能產(chǎn)生大流量光子流并記錄散射回來(lái)的波形信號(hào)[22]。不同于線性探測(cè)激光雷達(dá)，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)每秒發(fā)射數(shù)千個(gè)激光脈沖，并記錄后向散射和漫反射到接收器的單個(gè)光子的傳播時(shí)間。單個(gè)光子的飛行距離則可以通過(guò)記錄的光子到達(dá)時(shí)間得出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地表高度的測(cè)量。因光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)可對(duì)單個(gè)光子敏感，其激光發(fā)射能量要遠(yuǎn)低于線性探測(cè)激光雷達(dá)。作為對(duì)比，采用全波形探測(cè)技術(shù)的GLAS，其發(fā)射的激光能量約為70 mJ[23]; 而作為世界首個(gè)采用微脈沖多波束光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)技術(shù)的星載激光雷達(dá)測(cè)高儀ATLAS，其強(qiáng)激光束發(fā)射的激光能量約為48~172 uJ，弱激光束的能量約為12~43 uJ，從而在實(shí)現(xiàn)了500 km距離下的對(duì)地測(cè)高的同時(shí)，也大大減小了對(duì)激光發(fā)射器的激光能量的要求[24]。此外，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)在低能量消耗下的高靈敏度的特點(diǎn)使得光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)有望延長(zhǎng)激光壽命，并能夠在更高的高度飛行，從而提供更大的覆蓋范圍。
需要指出的是，線性探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)體系已頗為成熟，而光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的民用測(cè)量系統(tǒng)還比較少，其中有3個(gè)代表性的系統(tǒng)在光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)體系中尤為重要。一是由Harris公司開發(fā)的Geiger模式激光雷達(dá)系統(tǒng)GmLiDAR，二是由Leica公司旗下的Sigma Space開發(fā)的單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)(SPL100)[5, 25-26]，三是搭載在美國(guó)NASA于2018發(fā)射的ICESat-2衛(wèi)星上的ATLAS(advanced topographic laser altimeter system)。前兩個(gè)系統(tǒng)目前都只實(shí)現(xiàn)了機(jī)載測(cè)量(具有在垂直于飛行方向上的掃描功能)，而第三個(gè)是目前首個(gè)應(yīng)用單光子探測(cè)技術(shù)的星載激光測(cè)高儀。這3個(gè)系統(tǒng)從激光發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)來(lái)看都有著很大的差別，如果把傳統(tǒng)線性探測(cè)激光雷達(dá)描述為點(diǎn)發(fā)射-點(diǎn)接收的話，Harris的GmLiDAR可以被描述為點(diǎn)發(fā)射-面接收，而SPL100和ATLAS則為面發(fā)射-面接收。圖 1從原理上簡(jiǎn)略描述了線性探測(cè)激光雷達(dá)圖 1(a)和3個(gè)不同的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的激光發(fā)射系統(tǒng)和信號(hào)接收系統(tǒng)(圖 1(b)、(c)、(d))。圖 1(b)、圖 1(c)目前尚未有相應(yīng)的星載激光雷達(dá)。下文將從激光發(fā)射系統(tǒng)和信號(hào)接收系統(tǒng)兩方面詳細(xì)介紹光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)系統(tǒng)。
圖 1 線性探測(cè)激光雷達(dá)和光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的發(fā)射和接收系統(tǒng)概念(*改編自文獻(xiàn)[
14])
Fig. 1 Transmitter and receiver of the linear-mode LiDAR and photon-counting LiDAR (*adapted from reference [14])
圖選項(xiàng)
1.2.1 激光發(fā)射系統(tǒng)
大部分光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的激光發(fā)射光源同線性探測(cè)激光雷達(dá)一樣，都采用半導(dǎo)體泵浦Nd: YAG激光器作為發(fā)射系統(tǒng)的光源[14]，只有星載的ATLAS略有不同，其采用的是半導(dǎo)體泵浦Nd: YVO4激光器作為光源[24]。Nd: YAG晶體是目前半導(dǎo)體泵浦激光器中最成熟的晶體材料，它具有良好的導(dǎo)熱特性和光學(xué)特性，但由于它的晶體吸收譜較窄，導(dǎo)致激光器電光轉(zhuǎn)換效率較低。而Nd: YVO4晶體在808 nm附近的吸收譜寬高達(dá)15 nm，是Nd: YAG晶體(3 nm)的5倍寬，大大提高了激光器的電光轉(zhuǎn)換效率[27]。
如圖 1所示，傳統(tǒng)線性探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)向地面發(fā)射單個(gè)激光束，而光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)既可有單個(gè)激光束發(fā)射系統(tǒng)，也可有激光子束陣列發(fā)射系統(tǒng)(不同于由多臺(tái)激光器組成的多波束系統(tǒng))。Harris的Geiger激光雷達(dá)系統(tǒng)與線性探測(cè)激光雷達(dá)一樣，向地面發(fā)射單束激光束[22]，而SPL100和ATLAS的發(fā)射系統(tǒng)額外裝配了一個(gè)衍射光學(xué)元件(diffractive optical element, DOE)，通過(guò)這個(gè)DOE將激光發(fā)射器的單個(gè)激光束分成激光子束陣列[28]。SPL100的激光子束陣列為10 10，每個(gè)激光子束的能量均等[26]，而ATLAS的激光束通過(guò)DOE被分成3對(duì)激光子束，每對(duì)激光子束包含了一個(gè)強(qiáng)激光束和一個(gè)弱激光束，強(qiáng)弱激光束的能量比為4 1[24]。
需要說(shuō)明的是，在這3種光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)中，Geiger激光雷達(dá)由于接收系統(tǒng)的設(shè)置，使得它對(duì)視場(chǎng)內(nèi)掃描重復(fù)率要求很高[29]，因此，目前的機(jī)載Geiger激光雷達(dá)系統(tǒng)采用Palmer(即橢圓形狀)掃描機(jī)制，而不是傳統(tǒng)線性探測(cè)系統(tǒng)使用的Z形掃描機(jī)制[15]。SPL100雖然對(duì)視場(chǎng)內(nèi)掃描重復(fù)率的要求比Geiger激光雷達(dá)略低，它采用的也是Palmer掃描機(jī)制[14]。而目前唯一的星載光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)ATLAS采用的是推帚式掃描[24]，其在垂直于軌道方向的分辨率是很低的(約3.3 km[4])。
1.2.2 信號(hào)接收系統(tǒng)
光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)與傳統(tǒng)線性探測(cè)激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于其信號(hào)接收系統(tǒng)采用了單光子敏感的探測(cè)元件。對(duì)于單光子敏感探測(cè)元件，當(dāng)其接收到單個(gè)光子時(shí)就能觸發(fā)二極管的光電效應(yīng)，從而輸出電信號(hào)[14]。而通常線性探測(cè)激光雷達(dá)使用的APD需要接收到一連串的光子流才會(huì)觸發(fā)光電效應(yīng)，且這樣的光子流所含的光子數(shù)目一般不少于250個(gè)光子[15]。目前光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)使用的接收系統(tǒng)有兩類，一類是Harris Geiger激光雷達(dá)使用的GmAPD，另一類是SPL100和ATLAS使用的微通道板光電倍增器(Microchannel plate-photomultipier, MCP-PMT)[30]。
線性探測(cè)激光雷達(dá)的信號(hào)接收系統(tǒng)由單個(gè)探測(cè)元件APD組成，而光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)往往采用多個(gè)探測(cè)元件組成的面板。例如Harris Geiger激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)為由128 32個(gè)GmAPD組成的GmAPD面板[22]，對(duì)于這個(gè)面板上的每個(gè)GmAPD，在被散射回來(lái)的第一個(gè)單光子觸發(fā)后，GmAPD會(huì)自行關(guān)閉并停止接收后續(xù)的光子信息，直至下次整個(gè)GmAPD面板被重置[14]。GmAPD這樣的工作原理盡管能大幅降低所需激光束的能量，但是由于它只能記錄一束脈沖里最先散射回來(lái)的單個(gè)光子，它的穿透能力在植被覆蓋地區(qū)有著很大的局限性。如果系統(tǒng)發(fā)射的激光束只能單次照亮地面目標(biāo)物的話，對(duì)地面目標(biāo)的成功探測(cè)率將會(huì)非常低。為了保證Geiger激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)地面目標(biāo)物有更高的成功探測(cè)率，需要對(duì)地面目標(biāo)物進(jìn)行多次照亮，即上文所討論的，它要求更高的視場(chǎng)覆蓋率[29]。
SPL100和ATLAS采用的是MCP-PMT，每個(gè)MCP-PMT都包含了數(shù)百個(gè)對(duì)單光子敏感的探測(cè)元件[14, 30]。相較于Geiger激光雷達(dá)系統(tǒng)較長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間，這兩個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間極短，SPL100只有1.6 ns，換算成距離為24 cm[22]; ATLAS的恢復(fù)時(shí)間為3.1~3.3 ns，約為48 cm[30]。因此每個(gè)光子探測(cè)器都能探測(cè)到從多個(gè)目標(biāo)物散射回來(lái)的多個(gè)光子。這樣的特點(diǎn)使得SPL100和ATLAS對(duì)植被、薄霧和稀薄云層都有一定的穿透性，而且在白天太陽(yáng)背景噪聲大的情況下依然能進(jìn)行工作。
2 星載激光測(cè)高數(shù)據(jù)處理方法
根據(jù)記錄回波信號(hào)的方式，星載激光測(cè)高系統(tǒng)可獲取離散、全波形和光子計(jì)數(shù)三類數(shù)據(jù)。目前尚未形成成熟的數(shù)據(jù)處理流程和規(guī)范。需要說(shuō)明的是，數(shù)據(jù)處理方法的適應(yīng)性主要由數(shù)據(jù)獲取方式和原理來(lái)決定，與數(shù)據(jù)獲取的平臺(tái)并無(wú)必然聯(lián)系，因此，這里介紹的方法在許多方面也適合于多種數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。
2.1 離散激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理
離散激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)采樣得到多個(gè)回波信號(hào)的三維空間位置。通常除了記錄激光從離開到返回系統(tǒng)的時(shí)間外，回波強(qiáng)度也會(huì)被記錄下來(lái)。如圖 2所示，當(dāng)回波強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，傳感器會(huì)記錄此回波，直到達(dá)到傳感器允許的最大回波記錄數(shù)。一般情況下，每個(gè)脈沖會(huì)記錄有3-5個(gè)回波。目前對(duì)地觀測(cè)的離散激光雷達(dá)系統(tǒng)主要是機(jī)載的，光斑較小，能夠提供高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。與機(jī)載離散激光雷達(dá)相比，星載激光雷達(dá)的光斑較大[31]，測(cè)距精度可到分米級(jí); 此外，由于衛(wèi)星高度較高，星載激光雷達(dá)相鄰光斑之間的距離可達(dá)到百米甚至千米，給其幾何定標(biāo)帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)[32]。
圖 2 離散和全波形激光雷達(dá)回波波形Fig. 2 Return signals of discrete LiDAR and full waveform LiDAR
圖選項(xiàng)
離散激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)存在各種噪聲，斑點(diǎn)噪聲、太陽(yáng)背景噪聲、探測(cè)器噪聲，以及與時(shí)間和溫度相關(guān)的噪聲等，因此，點(diǎn)云去噪是離散激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的重要步驟。首先要去除數(shù)值異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。例如，在月面測(cè)高的應(yīng)用中，月球表面的高程范圍在-10至+11 km之間[33]，則在這個(gè)范圍之外的數(shù)據(jù)點(diǎn)均被視為異常值而被去除。對(duì)于在正常范圍內(nèi)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以通過(guò)濾波的方式處理噪聲。文獻(xiàn)[34]基于均值和標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置閾值，先后沿著單個(gè)軌道和在局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行濾波。但基于均值的濾波會(huì)導(dǎo)致在大塊平坦區(qū)域的少數(shù)凸起或者凹陷的數(shù)據(jù)點(diǎn)被消除，在去噪的同時(shí)也損失了一些信息，并且無(wú)法濾除連續(xù)分布的噪聲。文獻(xiàn)[35]提出了一種結(jié)合了濾波和聚類方法的去噪算法，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)和均值的插值并通過(guò)K均值(K-means)聚類區(qū)分出信號(hào)點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，一定程度上克服了基于均值濾波的缺點(diǎn)。
由于衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程的震動(dòng)和工作環(huán)境的變化，星載激光雷達(dá)測(cè)高儀的系統(tǒng)參數(shù)會(huì)較發(fā)射前的地面測(cè)量值有所改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤差[36]。激光測(cè)高儀幾何定標(biāo)的目的就是減少或消除這些系統(tǒng)誤差的影響。此類定標(biāo)方法可以分為兩種。一是與已知的自然地形相比較[37-38]。然而，這種方法要求衛(wèi)星具有較為靈活的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，能夠按要求完成對(duì)該自然地形的測(cè)量。二是基于地面控制點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)。這種方法需要布設(shè)大量的室外探測(cè)器(如激光靶標(biāo)器)來(lái)捕捉來(lái)自衛(wèi)星的激光信號(hào)，確定控制點(diǎn)的精確位置; 然后根據(jù)計(jì)算激光雷達(dá)所觀測(cè)的光斑坐標(biāo)和控制點(diǎn)坐標(biāo)的差異，計(jì)算出幾何定標(biāo)參數(shù)，從而得到高精度的幾何定位和測(cè)距結(jié)果[39]。使用定標(biāo)場(chǎng)的方法能夠得到較高的幾何定標(biāo)精度，但是地面定標(biāo)場(chǎng)的建立耗時(shí)耗力。因此，提出了一些不依賴于定標(biāo)場(chǎng)的幾何定標(biāo)方法。文獻(xiàn)[40-41]利用已經(jīng)公開的數(shù)字地形數(shù)據(jù), 使用金字塔搜索將資源三號(hào)02星的激光數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，估計(jì)了激光測(cè)高儀的指向誤差。文獻(xiàn)[42]使用測(cè)距和軌道精度更高的月球軌道器激光測(cè)高儀(LOLA)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，對(duì)嫦娥一號(hào)離散激光數(shù)據(jù)可能存在的系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正。此外，測(cè)繪衛(wèi)星，如美國(guó)的火星和月球觀測(cè)衛(wèi)星、中國(guó)的高分七號(hào)等衛(wèi)星上通常既有測(cè)高儀也有攝影機(jī)，因此，兩種數(shù)據(jù)的精確地理配準(zhǔn)也成為一個(gè)基本的研究?jī)?nèi)容[43-44]。
星載離散激光測(cè)高儀獲取的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以通過(guò)內(nèi)插計(jì)算生成DEM。目前常見的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)插值方法包括克里金(Kriging)插值法[45]、改進(jìn)謝別德(Shepard)法(即距離反比加權(quán)平均法[46])、徑向基(核)函數(shù)法(Radial Basis Function)[47]、移動(dòng)最小二乘法[48]等。例如從嫦娥一號(hào)(CE-1)的激光點(diǎn)云中，可以提取整個(gè)月球的DEM。文獻(xiàn)[34]提出了分層多節(jié)點(diǎn)樣條估計(jì)法，利用CE-1點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成了0.625 0.625 分辨率的月球全球DEM。文獻(xiàn)[49]首先對(duì)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合并和簡(jiǎn)化，篩選出曲率變化較快的點(diǎn)，然后通過(guò)曲面蒙皮(surface skinning)重構(gòu)算法生成DEM，該方法能夠保留更多的細(xì)節(jié)信息。
2.2 全波形激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理
全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)采用波形的形式記錄接收到的后向散射能量隨時(shí)間的變化。在激光光斑覆蓋范圍內(nèi)，具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的目標(biāo)與雷達(dá)發(fā)射的脈沖相互作用。全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)接收目標(biāo)的后向散射脈沖，以極短時(shí)間間隔對(duì)該脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行采樣和量化，從而采集到波形數(shù)據(jù)。與離散激光雷達(dá)系統(tǒng)記錄的點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比，全波形數(shù)據(jù)所探測(cè)的目標(biāo)信息更加豐富[50]。如圖 2所示，離散激光雷達(dá)能夠采集的回波脈沖及其強(qiáng)度信息比較有限，而全波形激光雷達(dá)則可以得到完整的回波形態(tài)。激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的脈沖波形一般為高斯函數(shù)形式[51]，結(jié)合激光雷達(dá)方程，接收的回波Pr(t)可視為描述散射體的后向散射特性的方程與所發(fā)射脈沖的卷積[52]，即
(1)
式中，N表示光斑范圍內(nèi)目標(biāo)的個(gè)數(shù);R是接收機(jī)到目標(biāo)的距離;β為發(fā)射器波束寬度;D為接收器光學(xué)元件的光圈直徑;S(t)是激光雷達(dá)系統(tǒng)貢獻(xiàn)的部分，即為發(fā)射脈沖與接收器脈沖響應(yīng)方程的卷積;σi(t)為第i個(gè)目標(biāo)的散射特性描述函數(shù);n(t)為噪聲信號(hào)。激光雷達(dá)光斑覆蓋區(qū)域的每個(gè)散射目標(biāo)分別貢獻(xiàn)出不同的波形分量，雷達(dá)最終接收到的回波可視為不同波形分量疊加的結(jié)果。通過(guò)對(duì)波形的分解，可以提取出每個(gè)波形的振幅、脈沖寬度和時(shí)間、峰值位置、峰值之間的距離以及后向散射截面等信息[53-54]。
為了提高后續(xù)波形分解方法的準(zhǔn)確度，需要對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其包括3個(gè)步驟，即：背景噪聲的估計(jì)與去除、波形數(shù)據(jù)平滑和信號(hào)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)估計(jì)[55-56]。首先，全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)后向散射回波進(jìn)行采樣和數(shù)字量化，記錄后向散射回波脈沖的強(qiáng)度。由于該強(qiáng)度值會(huì)受到噪聲的影響，需對(duì)其進(jìn)行濾波處理。噪聲來(lái)源主要有兩方面，一是由于采樣導(dǎo)致的強(qiáng)度信息量丟失，進(jìn)而引起振鈴噪聲; 二是光電探測(cè)器中的暗電流[57]，會(huì)降低信噪比。因此，為了能夠準(zhǔn)確地分解回波波形信息，需要先對(duì)噪聲進(jìn)行估計(jì)和去除。通?？赏ㄟ^(guò)設(shè)定閾值的方法來(lái)區(qū)分回波信號(hào)和噪聲，回波強(qiáng)度低于閾值的部分被視為噪聲去除，高于閾值的部分則作為信號(hào)保留下來(lái)。波形粗糙的形狀容易導(dǎo)致分解出很多低強(qiáng)度窄波段的分量，因此需要對(duì)波形進(jìn)行平滑處理，例如使用寬度與發(fā)射激光脈沖寬度近似的高斯濾波[58]。平滑后即可獲取信息起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的位置，回波強(qiáng)度大于背景噪聲閾值的首個(gè)和最后一個(gè)位置即為該波形的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，常見的閾值設(shè)置為均值加標(biāo)準(zhǔn)差的3~4.5倍[59]。如同離散激光雷達(dá)一樣，全波形激光雷達(dá)也需要進(jìn)行定標(biāo)。由于在森林茂密地區(qū)很難有可見的地面標(biāo)志點(diǎn)，定標(biāo)尤其困難; 為此，文獻(xiàn)[60]研究了僅利用已知的數(shù)字地面模型，通過(guò)對(duì)由全波形數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的數(shù)字表面模型實(shí)施多次迭代濾波，來(lái)標(biāo)定全波形激光掃描儀的自檢校方法。
對(duì)于理想的平坦區(qū)域，激光雷達(dá)可以接收到近似于單個(gè)高斯回波波形。然而，在星載激光雷達(dá)光斑范圍內(nèi)，目標(biāo)往往具有多樣的垂直結(jié)構(gòu)，使得后向散射回波的波形變得復(fù)雜且具有多個(gè)峰值，因此波形分解是提取各個(gè)目標(biāo)后向散射回波信息的必要步驟，對(duì)捕捉雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)每個(gè)目標(biāo)的垂直結(jié)構(gòu)信息至關(guān)重要。目前比較常見的波形分解方法包括直接分解法和基于反卷積的方法。
(1) 直接分解法。此類方法將回波波形視為多個(gè)核函數(shù)疊加的結(jié)果，其中高斯核函數(shù)、小波變換最為常用，并通過(guò)擬合各個(gè)核函數(shù)分量的方式進(jìn)行回波分解。盡管基于高斯函數(shù)的回波分解在平坦區(qū)域有較好的表現(xiàn)，然而，回波波形的分量也可能不符合高斯函數(shù)，尤其是對(duì)于目標(biāo)的垂直空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域，或激光照射到非平面或者有傾斜平面的目標(biāo)時(shí)。這一問(wèn)題可以通過(guò)使用廣義高斯模型來(lái)解決
(2)
式中，Ai是第i個(gè)回波波形分量Pr,i(t)的振幅;μi為其均值，表示波形分量的位置;σi為標(biāo)準(zhǔn)差，決定了脈沖的寬度;αi為形狀參數(shù), 對(duì)于高斯函數(shù)，αi=
;而對(duì)于平坦的或者峰值更加突出的回波形狀來(lái)說(shuō)，αi>。
文獻(xiàn)[61]提出了分解機(jī)載激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的方法，假設(shè)各個(gè)分量均為高斯模型，根據(jù)連續(xù)拐點(diǎn)位置估計(jì)得到高斯模型系數(shù)的初值并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。這個(gè)方法被NASA用于GLAS星載激光雷達(dá)波形的分解，得到GLA14產(chǎn)品。文獻(xiàn)[62]分別使用高斯和廣義高斯核函數(shù)來(lái)分解回波波形，并比較它們的分解效果; 研究表明，其不僅能夠測(cè)量樹冠高度，同時(shí)還可以捕捉到樹冠內(nèi)部和低層植被的結(jié)構(gòu)信息。對(duì)于植被密集的區(qū)域，廣義高斯函數(shù)能夠取得比高斯函數(shù)更好的結(jié)果，減少對(duì)樹高的低估。此外，還有研究用小波變換來(lái)分解回波波形。文獻(xiàn)[63]提出了一種基于多尺度小波分析的波形分解算法，并應(yīng)用于ICESat衛(wèi)星獲取的GLAS數(shù)據(jù)，最后從分解的波形各個(gè)分量中估算平均樹高。與從采用高斯函數(shù)擬合的GLA14產(chǎn)品[61]中估算的平均樹高對(duì)比表明，對(duì)于雙峰或者多峰的波形，基于小波變換的分解方法得到的平均樹高估計(jì)比高斯核函數(shù)擬合的方法更加準(zhǔn)確。
目前，較為常用的核函數(shù)擬合方法包括極大似然估計(jì)法和非線性最小二乘法，例如期望值最大化(Expectation-Maximization)算法[64]、列文伯格-馬夸爾算法(Levenburg-Marquardt)[61]等。這兩種方法均需要預(yù)先估計(jì)回波波形的性質(zhì)，如波形分量的個(gè)數(shù)、各個(gè)分量的強(qiáng)度和波形寬度等。文獻(xiàn)[65]使用基于熵的赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike’s Information Criterion)來(lái)估計(jì)回波組分的數(shù)量，文獻(xiàn)[66]提出了一種漸進(jìn)式波形分解法來(lái)自動(dòng)檢測(cè)出每個(gè)波峰的位置，從而得到回波組分的個(gè)數(shù)，然后進(jìn)行逐一擬合，避免了初始化。然而在缺乏疊加的回波波形的先驗(yàn)知識(shí)的前提下，難以對(duì)這些波形分量參數(shù)做出準(zhǔn)確的估計(jì), 尤其是對(duì)于組分復(fù)雜的回波波形更是如此。除了會(huì)受到嚴(yán)格的初始化條件的限制，直接分解法還難以處理無(wú)法采用高斯函數(shù)等核函數(shù)進(jìn)行建模的復(fù)雜波形分量，并且沒(méi)有考慮探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)波形的影響，不能反映目標(biāo)的真實(shí)截面信息[67]。文獻(xiàn)[19]用模糊統(tǒng)計(jì)聚類的方法對(duì)全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分解和確定散射目標(biāo), 獲得了比常規(guī)高斯函數(shù)分解更好的結(jié)果。
(2) 反卷積法。該方法試圖解決上述直接分解法存在的問(wèn)題。如前所述，激光雷達(dá)接收器接收到的回波信號(hào)可以視作為系統(tǒng)發(fā)射的脈沖信號(hào)、接收器脈沖響應(yīng)和目標(biāo)后向散射截面相互卷積的結(jié)果。在已知回波信號(hào)和系統(tǒng)貢獻(xiàn)的情況下，反卷積法考慮回波信號(hào)中發(fā)射脈沖和系統(tǒng)脈沖響應(yīng)部分的共同作用，即式(1)中的S(t)，進(jìn)而得到目標(biāo)的后向散射截面σ(t)[52, 68]。從反卷積的結(jié)果中可以提取特征并用其進(jìn)行分類，例如文獻(xiàn)[69]將主成分分析法用于反卷積得到的波形，對(duì)草本植物的生物量進(jìn)行分類。文獻(xiàn)[67]采用自動(dòng)波峰檢測(cè)等方法對(duì)反卷積結(jié)果進(jìn)一步分解，提取每個(gè)波形分量的振幅、位置和拐點(diǎn)。3種最為常用的反卷積算法為：Richardson-Lucy方法[70-71]、維納濾波[72]和非負(fù)最小二乘法[73]。
Richardson-Lucy算法最初是為圖像恢復(fù)而設(shè)計(jì)的，通過(guò)迭代來(lái)解求反卷積問(wèn)題。該反卷積方法基于貝葉斯定理，將激光雷達(dá)回波看作大小為1 L(L為回波波形的總時(shí)間長(zhǎng)度)的影像，對(duì)給定時(shí)刻t，利用系統(tǒng)貢獻(xiàn)項(xiàng)S(t)和接收的回波信號(hào)Pr(t)，通過(guò)以下迭代計(jì)算σ(t)最可能的估計(jì)值
(3)
式中，k是迭代次數(shù)，
是目標(biāo)散射截面最大似然估計(jì)值，迭代收斂時(shí)即得到散射截面波形。
Richardson-Lucy算法對(duì)于低信噪比的回波信號(hào)有較好的分解效果，可以有效避免產(chǎn)生負(fù)值，然而，該算法收斂速度慢，迭代的求解方式較為耗時(shí)，并且無(wú)法防止噪聲的擴(kuò)大?；谠肼暫托盘?hào)在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立的假設(shè)，維納濾波在頻率域?qū)Πl(fā)射和接收的回波信號(hào)比值進(jìn)行濾波處理，并使得到的目標(biāo)散射截面估計(jì)值和真實(shí)值σ(t)(期望的散射截面)之間的方差最小[74]，即
(4)
維納濾波反卷積算法的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算速度快，但容易導(dǎo)致振鈴噪聲，無(wú)法避免無(wú)意義的負(fù)信號(hào)值的產(chǎn)生，并且需要噪聲的功率譜密度[75]?；诜秦?fù)最小二乘法的反卷積算法可以描述為
(5)
該算法不需要關(guān)于目標(biāo)散射截面σ(t)和噪聲信號(hào)n(t)的任何先驗(yàn)知識(shí)，可以通過(guò)迭代使得目標(biāo)函數(shù)收斂求解σ(t)，結(jié)果較為準(zhǔn)確，但缺點(diǎn)是迭代會(huì)造成較高的時(shí)間計(jì)算代價(jià)。
2.3 光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理
光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的接收器能夠靈敏地探測(cè)到單個(gè)光子，得到密度較高的光子點(diǎn)云，從而能夠獲取更加精細(xì)的三維信息。與線性探測(cè)激光雷達(dá)相比，光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)具有低能量、高靈敏度、高重復(fù)頻率的優(yōu)勢(shì)[76]，降低了高脈沖能量對(duì)于系統(tǒng)的損耗，為解決能量傳輸和高重復(fù)頻率之間的矛盾提供了新的解決思路。然而，低脈沖能量和高靈敏度同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)發(fā)射和接收的信號(hào)都比較弱，非常容易受到各種噪聲的影響，如系統(tǒng)噪聲、大氣散射引起的噪聲以及太陽(yáng)背景光[4]。光子噪聲在空間中隨機(jī)分布且數(shù)量眾多，給光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理和垂直結(jié)構(gòu)信息的精確提取帶來(lái)了挑戰(zhàn)[77]。因此，需要采用有效的去噪方法，將信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)。去噪是光子計(jì)數(shù)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，常見的去噪方法可以被分為基于密度聚類的算法、基于柵格化的算法及基于局部統(tǒng)計(jì)量的算法。
基于密度聚類的算法利用激光雷達(dá)探測(cè)到的光子的空間分布特點(diǎn)。目標(biāo)散射的信號(hào)光子往往比噪聲光子的分布更加密集，由此可以通過(guò)對(duì)光子進(jìn)行空間聚類來(lái)將其與噪聲分開?？梢允褂玫目臻g聚類方法包括：DBSCAN(density-based spatial clustering of applications with noise)[78-79]、OPTICS(ordering points to identify the clustering structure)[80]、貝葉斯決策理論等。文獻(xiàn)[81]將DBSCAN算法應(yīng)用于光子點(diǎn)云去噪，對(duì)于點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)，采用橢圓鄰域進(jìn)行聚類，以便更適用于光子計(jì)數(shù)雷達(dá)點(diǎn)云在沿軌方向分布較密集的特征，從而使得計(jì)算代價(jià)大幅降低。盡管DBSCAN算法在平坦的區(qū)域能夠有效去噪，但對(duì)陡峭的區(qū)域的效果則較差; 并且，DBSCAN算法需要指定搜索半徑和最少點(diǎn)數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)聚類結(jié)果影響很大。OPTICS算法是DBSCAN算法的擴(kuò)展，與DBSCAN不同的是，OPTICS不直接產(chǎn)生聚類結(jié)果，而是計(jì)算得到所有光子的簇排序和距離值來(lái)表示光子的內(nèi)在聚類結(jié)果。注意到光子點(diǎn)云的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[82]在應(yīng)用OPTICS聚類算法時(shí)進(jìn)行了改進(jìn)，使用橢圓鄰域，并根據(jù)大津法[83]選取閾值區(qū)分信號(hào)和噪聲光子，在模擬和真實(shí)的ICESat-2數(shù)據(jù)上的試驗(yàn)表明該方法比同樣使用橢圓鄰域的DBSCAN算法的效果更好，并且對(duì)聚類參數(shù)不敏感，但是仍然需要指定搜索區(qū)域的大小。文獻(xiàn)[84]提出了一種基于貝葉斯理論單光子激光雷達(dá)去噪算法，考慮近鄰距離的概率分布并通過(guò)貝葉斯決策理論計(jì)算光子屬于噪聲的概率，該方法在地形陡峭地區(qū)的去噪效果優(yōu)于改進(jìn)的DBSCAN算法，但是需要預(yù)先估計(jì)信噪比?？傮w來(lái)說(shuō)，基于密度聚類的方法需要預(yù)先指定一些輸入?yún)?shù)，并對(duì)參數(shù)敏感、時(shí)間代價(jià)往往較大。
基于柵格化的算法先將光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的點(diǎn)云剖面內(nèi)插成柵格圖像，然后使用數(shù)字圖像處理中的去噪方法去除噪聲光子。文獻(xiàn)[77]提出了基于改進(jìn)的Canny邊緣檢測(cè)的去噪方法，對(duì)柵格化的光子點(diǎn)云提取邊緣特征，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)部的差異確定梯度閾值，結(jié)果表明該算法能夠有效地去除森林區(qū)域的噪聲。從而更準(zhǔn)確地提取地面和樹冠。然而，從光子點(diǎn)云到柵格圖像的轉(zhuǎn)化過(guò)程會(huì)導(dǎo)致部分信息的損失[85]。同時(shí)，基于密度和柵格的去噪算法還存在一些問(wèn)題，如在點(diǎn)云密度較小或者噪聲光子的位置和信號(hào)光子比較接近的時(shí)候，信號(hào)可能會(huì)作為噪聲被去除或者不能有效地區(qū)分信號(hào)與噪聲[86]。
基于局部統(tǒng)計(jì)量的方法從光子點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取一些局部統(tǒng)計(jì)量，例如特征向量、點(diǎn)云的密度、高程等，并根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)量的分布特征(如直方圖)來(lái)設(shè)置區(qū)分信號(hào)和噪聲的閾值。文獻(xiàn)[87]使用一系列統(tǒng)計(jì)量，包括徑向基函數(shù)、幾何各向異性、特征向量、點(diǎn)云密度，以及地學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)分類參數(shù)和超參數(shù)等，來(lái)檢測(cè)地面和冠層覆蓋信號(hào)以及噪聲。文獻(xiàn)[88]基于光子的高程設(shè)置閾值來(lái)檢測(cè)噪聲。文獻(xiàn)[89-90]提出的光子點(diǎn)云去噪算法從高程和密度兩方面計(jì)算局部統(tǒng)計(jì)量，并且考慮到了表面坡度。該方法首先建立高程直方圖來(lái)消除明顯的噪聲光子，然后根據(jù)光子在沿軌方向和高程方向的距離來(lái)確定用于密度統(tǒng)計(jì)的橢圓鄰域的參數(shù)(如橢圓的方向)，最后通過(guò)密度直方圖去除剩下的噪聲。與基于柵格化的算法相比，基于局部統(tǒng)計(jì)量的算法在大型數(shù)據(jù)集上的計(jì)算更加魯棒，適用于多種地形環(huán)境，但是去噪過(guò)程中的閾值需要考慮到地表特征、點(diǎn)云密度、地形等因素來(lái)設(shè)置，并且閾值對(duì)去噪結(jié)果的影響較大[6]。
3 星載激光測(cè)高應(yīng)用
星載激光雷達(dá)搭載在衛(wèi)星平臺(tái)上，具有運(yùn)行軌道高、觀測(cè)視野廣的特點(diǎn)，適合林業(yè)、海洋、極地、月球、火星和小行星探測(cè)等[91]。需要說(shuō)明的是，由于星載激光雷達(dá)的地面分辨率限制，在全球地表測(cè)繪中，主要作用是為其他光學(xué)遙感數(shù)據(jù)提供控制信息[92]; 與其他遙感手段相比，星載激光雷達(dá)目前其尚不能提供具有優(yōu)勢(shì)且滿足要求的數(shù)字地面模型產(chǎn)品。因此，將針對(duì)星載激光雷達(dá)在林業(yè)生態(tài)、極地海洋和行星探測(cè)三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行討論。
3.1 在林業(yè)生態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用
(1) 樹高估算。ICESat上的GLAS是第一個(gè)用于全球連續(xù)對(duì)地觀測(cè)的星載激光雷達(dá)測(cè)高儀。GLAS記錄從其光斑路徑上返回的激光能量[93]，可以獲取大范圍的垂直數(shù)據(jù)信息，因此在大區(qū)域尺度對(duì)森林參數(shù)進(jìn)行定量反演具有優(yōu)勢(shì)[7]。在平坦地區(qū)(0~5 )，坡度對(duì)回波信號(hào)造成的影響較小。因此在平坦地區(qū)樹高可以直接使用GLAS的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行估測(cè)。然而，當(dāng)GLAS激光較大的光斑(直徑約為70 m[94])照亮在傾斜表面上的植被時(shí)，接收到的脈沖回波波形會(huì)變寬[95]，因此從ICESat數(shù)據(jù)中估計(jì)可靠的森林高度變得復(fù)雜[96]。文獻(xiàn)[96]基于GLAS波形數(shù)據(jù)提出了地形指數(shù)模型，以期對(duì)大坡度上的樹高度反演獲得好的效果?？紤]到波形前緣長(zhǎng)度(即從信號(hào)開始到第一個(gè)波峰的波形長(zhǎng)度)，其使用了以下修正后的模型
(6)
式中，HT是測(cè)量的樹冠高度;b0是當(dāng)根據(jù)地形指數(shù)進(jìn)行校正時(shí)的綜合系數(shù);w是波形長(zhǎng)度;b1是應(yīng)用于地形指數(shù)的系數(shù);g是地形指數(shù)，即在DEM數(shù)據(jù)中的N N采樣窗口內(nèi)的地表高程差值;b2為波形前緣調(diào)整系數(shù);l為波形前緣長(zhǎng)度。
文獻(xiàn)[97]基于GLAS完整波形在吉林長(zhǎng)白山林區(qū)以激光波形長(zhǎng)度和地形指數(shù)為變量，在不同地形坡度范圍內(nèi)建立了森林冠層高度反演模型。在ArcGIS平臺(tái)上利用1 50 000 DEM數(shù)據(jù)計(jì)算地形指數(shù)：計(jì)算以激光光斑中心點(diǎn)所在像元為中心的矩形3 3窗內(nèi)最大高程與最小高程之差，并將這個(gè)差值賦給該窗口的中心像元，作為該像元對(duì)應(yīng)的地形指數(shù)g。模型參數(shù)b0和b1采用Levenberg-Marquardt (LM)算法求解。研究結(jié)果表明，在0~5 坡度范圍內(nèi)建立的模型與90%的冠層高度相吻合; 但隨著坡度的增加，該模型的反演精度會(huì)顯著下降。
(2) 郁閉度估算。森林郁閉度(crown density)是指林冠垂直投影面積與林地面積的比值[98]。它是森林資源調(diào)查的一個(gè)重要因子，通過(guò)該因子可以區(qū)分有林地、疏林地和無(wú)林地。
GLAS發(fā)射的激光脈沖穿過(guò)大氣層后首先會(huì)到達(dá)森林冠層，一部分被反射回傳感器，另一部分會(huì)繼續(xù)向下傳播，透過(guò)葉片縫隙到達(dá)地面，并被地面反射。因此可以通過(guò)計(jì)算植被回波能量與回波總能量的比值來(lái)對(duì)森林郁閉度進(jìn)行估測(cè)[95]
(7)
式中，CD為從GLAS波形中提取的比值能量參數(shù)，用于估測(cè)森林郁閉度;SS為信號(hào)開始位置;SE為信號(hào)結(jié)束位置;SB為冠層回波和地面回波的界限位置;Vi為第i幀對(duì)應(yīng)的回波能量值。
(3) 森林地上生物量估算。森林生物量按來(lái)源的部位不同可分為根、干、枝和葉生物量。其中, 干、枝、葉生物量合稱為森林地上生物量[99]。森林地上生物量的估算對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)機(jī)制的研究具有重要意義[100]。目前大區(qū)域生物量研究采用的數(shù)據(jù)主要有光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和微波數(shù)據(jù)等。星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)可以獲取森林冠層高度信息，在大區(qū)域森林地上生物量研究方向上發(fā)揮了很大作用。從反演方法來(lái)看，目前研究所采用的方法以非參數(shù)化的訓(xùn)練方法為主[101]。文獻(xiàn)[102]在印度西北喜馬拉雅山使用隨機(jī)森林算法，結(jié)合ICESat-2和Sentinel-1數(shù)據(jù)獲取森林冠層高度，并將森林冠層高度信息與Sentinel-2數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)森林地上生物量(AGB)進(jìn)行估測(cè)。文獻(xiàn)[103]通過(guò)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用MODIS和ICESat/GLAS數(shù)據(jù)估算西伯利亞北部森林地上生物量。文獻(xiàn)[104]結(jié)合GLAS數(shù)據(jù)和HSI數(shù)據(jù)，使用支持向量回歸機(jī)算法構(gòu)建森林地上生物量估測(cè)模型，繪制吉林省汪清林業(yè)局經(jīng)營(yíng)區(qū)的森林地上生物量分布圖。
3.2 在極地海洋測(cè)量中的應(yīng)用
(1) 海冰厚度估算。極地地區(qū)是全球最為重要的冷源，也是海冰分布最廣泛的區(qū)域[105]。海冰覆蓋可以阻隔海水和大氣中的水汽交換等環(huán)節(jié)，對(duì)極地乃至全球的氣候都會(huì)產(chǎn)生重要影響[106]，故此計(jì)算海冰厚度是目前的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容[107]。
海冰可以視為由兩部分組成，一部分為海面下的冰，另一部分為露出海面的部分。露出海面的冰層可以通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接計(jì)算，而隱藏在海面下的冰，無(wú)法根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)直接測(cè)量。因此對(duì)于整體海冰厚度的測(cè)量是根據(jù)阿基米德原理和浮出海面的冰層體積進(jìn)行估算的。對(duì)露出海面的冰層計(jì)算海冰干舷高度HF，即海冰表面高與海面的差異[108]，文獻(xiàn)[109]使用ICESat-2數(shù)據(jù)對(duì)海冰干舷高度F進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下
(8)
式中，Hs是由ICESat-2激光測(cè)高儀測(cè)量的海冰表面高程;Hssh是海面高，可以通過(guò)文獻(xiàn)[110]提出的最低面濾波法來(lái)計(jì)算。其過(guò)程為，假設(shè)海面高程總是低于海冰表面高程，選取區(qū)域內(nèi)測(cè)量高程值最低的部分作為海面高程值，通過(guò)使用ICESat潮汐修正后的測(cè)高數(shù)據(jù)減去大地水準(zhǔn)面高后，按照10 km的軌跡長(zhǎng)度選取其中最低的高程值作為海面高程。
計(jì)算出海冰干舷高度HF后，根據(jù)阿基米德原理，海冰厚度可以使用式(9)進(jìn)行計(jì)算[111]
(9)
式中，Ti為海冰厚度;Ts為雪層深度;ρi為海冰密度;ρs為雪密度;ρw為海水密度。值得注意的是，式(9)考慮了露出海面的冰層有雪層覆蓋的情況，是比較完整的海冰厚度估算的模型。
(2) 冰蓋高程變化率估算。測(cè)高衛(wèi)星繞地球一周產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡可分為上升弧段(自南向北)和下降弧段(自北向南)，上升弧段和下降弧段的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)產(chǎn)生交叉點(diǎn)。此外，測(cè)高衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡還具有周期性重復(fù)的特點(diǎn)，即運(yùn)行一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的地面軌跡。因此，利用測(cè)高衛(wèi)星在交叉點(diǎn)上或同一區(qū)域的重復(fù)觀測(cè)，便可估算冰蓋高程的變化率。
基于在交叉點(diǎn)重復(fù)觀測(cè)得到的高程值，文獻(xiàn)[112-113]應(yīng)用最佳線性無(wú)偏估計(jì)與季節(jié)周期參數(shù)聯(lián)合計(jì)算交叉點(diǎn)處的高程變化率
(10)
式中，H(t)表示在時(shí)間t時(shí), 由ICESat觀測(cè)值內(nèi)插成的交叉點(diǎn)處高程;H0為t=0時(shí)交叉點(diǎn)的高程;
為高程變化率; 右側(cè)最后兩項(xiàng)為季節(jié)周期變化項(xiàng); a和b為季節(jié)周期的兩個(gè)參數(shù);T為季節(jié)周期(如以a為單位)。根據(jù)最小二乘法原理即可求出交叉點(diǎn)處的高程變化率。
此外，也可以利用周期性重復(fù)的地面軌跡來(lái)計(jì)算冰面表面高程變化率。由于衛(wèi)星受到軌道攝動(dòng)等因素影響，不同周期的軌道并不會(huì)完全重復(fù)，為了避免重復(fù)軌道地面光斑不重合造成的誤差，可以將各個(gè)重復(fù)軌道數(shù)據(jù)內(nèi)插到同一位置進(jìn)行計(jì)算?？紤]到內(nèi)插點(diǎn)和地面光斑之間的坡度，應(yīng)當(dāng)對(duì)內(nèi)插點(diǎn)的高程進(jìn)行坡度改正[114]。
(3) 水深估測(cè)。ICESat-2攜帶的ATLAS是具有綠色波段(532 nm)和10 kHz脈沖重復(fù)率的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)。ATLAS提供了一種主動(dòng)探測(cè)水深的方式，它能夠沿地球軌道方向以高分辨率穿透水體[115]。但是生成光子測(cè)高數(shù)據(jù)的算法并未考慮到空氣-水界面處發(fā)生的折射和水柱中光速的影響，因此ATL03中記錄的數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生水平和垂直上的誤差，需要進(jìn)行折射校正，如式(11)所示[116]
(11)
式中，Zn是經(jīng)折射校正后的水深;Z0是無(wú)折射改正時(shí)計(jì)算的水深;na(1.000 29)、nw(1.341 16)分別是光在空氣和海水中的折射率。文獻(xiàn)[116]結(jié)合Sentinel-2光學(xué)數(shù)據(jù)和折射校正后的ICESat-2數(shù)據(jù)，使用半經(jīng)驗(yàn)函數(shù)對(duì)水深進(jìn)行擬合，得出南海六個(gè)島礁的淺水深度(深度 < 20 m)。
水深也可以使用全波形數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。如圖 3所示，文獻(xiàn)[117]用高斯函數(shù)、三角形函數(shù)和韋伯(Weibull)函數(shù)的疊加來(lái)擬合發(fā)射脈沖經(jīng)過(guò)水體反射的回波波形Pr(t)
(12)
圖 3 用高斯函數(shù)、三角形函數(shù)和韋伯函數(shù)的疊加模擬回波波形[117]Fig. 3 Simulation of the return waveforms using a combination of the Gaussian function, triangle function, and Weibull function[117]
圖選項(xiàng)
式中，G(t;As,μs,σs)為高斯函數(shù);As是振幅;μs是發(fā)射脈沖到達(dá)水面的時(shí)刻;σs是標(biāo)準(zhǔn)差
(13)
T(t;Ac,a,b,c)為由參數(shù)Ac,a,b,c定義的三角形函數(shù)
(14)
W(t;Ab,kb,λb)是振幅為Ab的韋伯函數(shù)
(15)
式中，λb為韋伯函數(shù)的比例參數(shù)，描述發(fā)射脈沖到達(dá)水底的時(shí)刻;kb為韋伯函數(shù)的形狀參數(shù)。使用非線性最小二乘法對(duì)式(15)進(jìn)行求解得到擬合參數(shù)。然后利用擬合參數(shù)對(duì)水深De進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下[61]
(16)
式中，cw為光在水中的速度; (λb-μs)描述的是發(fā)射脈沖從水面到達(dá)水底的時(shí)間;θL為局部入射角，其值取決于傳感器的入射角、水的折射率以及水面和底面的坡度。
3.3 在行星測(cè)繪中的應(yīng)用
盡管星載激光測(cè)高可以用于對(duì)地觀測(cè)的高程測(cè)量中，但由于其在垂直軌道方向尚無(wú)常規(guī)意義下的掃描功能，分辨率較低，再加之有很多基于星載和機(jī)載的光學(xué)和微波成像測(cè)量手段，因此，目前利用星載激光測(cè)高的地形測(cè)繪和數(shù)字地面模型的建立主要集中在對(duì)行星(含月球)進(jìn)行測(cè)量。
行星測(cè)量往往是由月球測(cè)量開始的。月球地形是描述月球基本特征的重要參數(shù)。月面高程值主要是根據(jù)激光測(cè)高、軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。首先要計(jì)算觀測(cè)時(shí)刻光斑中心點(diǎn)的位置，計(jì)算公式為[118]
(17)
式中，RG表示光斑在月心坐標(biāo)系中的位置矢量;Rs表示觀測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星在月心坐標(biāo)系下的位置矢量，可由衛(wèi)星高精度軌道給出;u由激光測(cè)高儀的測(cè)距值和姿態(tài)數(shù)據(jù)確定，表示觀測(cè)時(shí)刻激光測(cè)高儀的觀測(cè)矢量。利用上述得到的RG值，可以對(duì)月面光斑中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的月面高程值進(jìn)行計(jì)算，公式為
(18)
式中，H為月面高程值;R為月球參考半徑, 如選擇半徑為1738 km的正球作為參考球體，將該正球體表面定義為月面高程基準(zhǔn)面。
在月球探測(cè)方面，各國(guó)利用激光測(cè)高數(shù)據(jù)生成了若干數(shù)字高程模型。文獻(xiàn)[118]利用嫦娥一號(hào)第一次正式飛行階段獲取的約300多萬(wàn)個(gè)有效激光測(cè)高數(shù)據(jù)點(diǎn), 得到了月球全球地形模型CLTM-s01。文獻(xiàn)[119]利用嫦娥一號(hào)獲取的數(shù)據(jù)制作了空間分辨率為3 km的全月DEM模型。文獻(xiàn)[120]應(yīng)用高分辨率的GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)重力場(chǎng)模型和LOLA激光測(cè)高數(shù)據(jù)對(duì)月球巖石圈有效彈性厚度進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[121]利用選取的嫦娥一號(hào)測(cè)高地形數(shù)據(jù)及Lunar Prospector月球重力場(chǎng)模型作為數(shù)據(jù)源建立了月球三軸橢球體模型。文獻(xiàn)[122]使用日本月球探測(cè)器Selenological and Engineering Explorer (SELENE或Kaguya)上的激光高度計(jì)(LALT)的測(cè)高數(shù)據(jù)，獲得了空間分辨率優(yōu)于0.5 的全球月球地形圖。文獻(xiàn)[123]使用SELENE上的激光測(cè)高儀數(shù)據(jù)制作的數(shù)字高程模型來(lái)估計(jì)月球極地地區(qū)的日照條件。文獻(xiàn)[124]使用LOLA獲得的高分辨率測(cè)高數(shù)據(jù)來(lái)表征月球極地地區(qū)的光照條件，并展示了兩個(gè)極點(diǎn)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的平均太陽(yáng)照度模擬結(jié)果。
在火星探測(cè)方面，MOLA測(cè)高儀[125]可以測(cè)量地形、表面反射率和后向散射激光回波寬度，非常適合計(jì)算火星表面地形和粗糙度。文獻(xiàn)[126]利用火星全球測(cè)繪衛(wèi)星(MGS)上的激光測(cè)高儀MOLA數(shù)據(jù)，通過(guò)交叉點(diǎn)法確定行星表面高程變化來(lái)研究火星以前是否存在海洋。文獻(xiàn)[127]利用MOLA在一個(gè)火星年內(nèi)收集的地形數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)量火星表面海拔隨時(shí)間的變化。文獻(xiàn)[128]通過(guò)自動(dòng)配準(zhǔn)后的MOLA剖面繪制火星極地季節(jié)性二氧化碳雪蓋和二氧化碳冰蓋高度隨時(shí)間的變化圖。
在水星探測(cè)方面，文獻(xiàn)[129]通過(guò)測(cè)量水星激光測(cè)高儀(MLA)在1064 nm處的表面反射率，證明水星在其兩極附近的永久陰影區(qū)域(PSR)內(nèi)存在水冰。文獻(xiàn)[130]使用均方根差來(lái)計(jì)算水星表面粗糙度。
在獲得行星表面數(shù)字高程后，可以進(jìn)而計(jì)算地形的一些數(shù)字特征。表面粗糙度是在去除大尺度坡度的影響后，在某個(gè)給定水平尺度上，表面高度變化的統(tǒng)計(jì)量度，可用于了解地質(zhì)過(guò)程如何在不同尺度上形成和改變行星的地形特征。文獻(xiàn)[131]提出了中位差坡度的測(cè)量方法，目的是分出小尺度和大尺度坡度對(duì)表面粗糙度的影響。對(duì)于一定的水平基線L，通過(guò)減去該給定基線兩倍處的坡度來(lái)分離出基線L上的粗糙度特征sd(L)
(19)
式中，H(L)和H(-L)分別為興趣點(diǎn)兩側(cè)距離為L(zhǎng)處的高程。
4 總結(jié)與展望
20世紀(jì)70年代以來(lái)，作為一種主動(dòng)衛(wèi)星遙感技術(shù)，星載激光雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用一直都得到了各國(guó)的關(guān)注。尤其是近些年來(lái)，隨著各科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ω呔葴y(cè)量需求的日益增長(zhǎng)，星載激光測(cè)高技術(shù)因其獨(dú)特的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)得到了迅猛的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的探索，美國(guó)在對(duì)地觀測(cè)以及對(duì)行星探測(cè)方面都有著較為成熟的應(yīng)用，在星載和機(jī)載光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)領(lǐng)域更是處于領(lǐng)先地位。日本和歐洲在對(duì)行星探測(cè)領(lǐng)域也都有多年的積累，如日本航天局(JAXA)在2007年對(duì)月觀測(cè)的SELENE激光測(cè)高儀，以及歐洲航天局(ESA)于2018年開展的水星探測(cè)計(jì)劃用的BepiColombo激光測(cè)高儀(BELA)。從2007年嫦娥一號(hào)對(duì)月成功觀測(cè)開始，到2019年高分七號(hào)成功獲取數(shù)據(jù)，中國(guó)的星載激光測(cè)高技術(shù)在一系列國(guó)家重大科學(xué)研究和工程應(yīng)用中取得了令人矚目的成就，并且對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的深空探測(cè)計(jì)劃和對(duì)地觀測(cè)重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
可以預(yù)見的是，星載激光雷達(dá)測(cè)高技術(shù)將會(huì)朝著更高的空間分辨率、更高的測(cè)量精度以及更高的量測(cè)效率發(fā)展; 與此同時(shí)，測(cè)繪和探測(cè)的對(duì)象也會(huì)更加多樣。歸納起來(lái)，有以下幾個(gè)方面。
(1) 研制新型星載激光器和探測(cè)器。①研制高能量窄脈寬的新型激光器，更有效地抑制背景噪聲光子，提高激光增益、重復(fù)頻率和電光轉(zhuǎn)換的效率，降低量子虧損以及對(duì)激光器的體積和重量的需求。②研制單個(gè)激光器的多波束激光并行發(fā)射技術(shù)，增加波束數(shù)量，減小波束地面光斑的大小和其間的距離，增大幅寬，提高空間分辨率和觀測(cè)效率; 研究采用陣列探測(cè)器同時(shí)接收多波束激光的回波，提高陣列探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)，降低單個(gè)波束的所需的能量。③研制高效的多波段(多光譜)激光器，豐富激光器發(fā)射脈沖的頻域特性，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)光譜波段的同時(shí)探測(cè)，從而更有效地識(shí)別目標(biāo)及其屬性; 提高探測(cè)器在不同波長(zhǎng)下的量子效率，研發(fā)基于新型材料的探測(cè)器，將單光子探測(cè)器所能夠探測(cè)的可見光波段擴(kuò)展為1~2 μm的近紅外波段; 由于波長(zhǎng)的增大，在相同能量下發(fā)射的脈沖可以包含更多的光子，在近紅外波段目標(biāo)反射回去的光子一般也會(huì)更多，使得同等靈敏度的探測(cè)器對(duì)單波束的能量需求將降低，有利于進(jìn)一步增加波束數(shù)。④研究星載量子激光雷達(dá)，結(jié)合量子特性和量子力學(xué)原理，將已有的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)與量子調(diào)控相結(jié)合，利用糾纏光子對(duì)進(jìn)行量子測(cè)距，突破激光雷達(dá)在激光器信噪比、探測(cè)器靈敏度、在復(fù)雜環(huán)境中的抗干擾性能等方面的瓶頸，并逐步將單純的距離測(cè)量擴(kuò)展到全息測(cè)量，如物體的速度、相位和形變等。
(2) 發(fā)展衛(wèi)星組網(wǎng)激光測(cè)高增強(qiáng)方法。①由于星載多波束的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)探測(cè)到的噪聲較多，不僅需要大量存儲(chǔ)資源，也會(huì)受到傳輸效率限制無(wú)法及時(shí)傳至地面站，因此有必要和其他衛(wèi)星，如氣象和環(huán)境衛(wèi)星組網(wǎng)，測(cè)高衛(wèi)星實(shí)時(shí)獲得這些衛(wèi)星上的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)高信號(hào)檢測(cè)和噪聲去除，減小存儲(chǔ)和下傳數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得更可靠更有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)。②為提高星載激光雷達(dá)的測(cè)距精度，需要發(fā)展更加有效的方法來(lái)消除光行差和噪聲的影響，提高激光雷達(dá)衛(wèi)星本身的位置精度; 為此可以利用在低軌道平臺(tái)運(yùn)行的其他衛(wèi)星系統(tǒng)，比如通信衛(wèi)星，消除GNSS的系統(tǒng)誤差，從而提高激光雷達(dá)衛(wèi)星的定位精度，提升衛(wèi)星到地面的測(cè)距精度, 以期將星載測(cè)距精度提高到厘米級(jí)，位置精度提高到分米級(jí)。
(3) 拓展星載激光測(cè)高的科學(xué)和工程應(yīng)用。①星載激光雷達(dá)可快速獲取大規(guī)模高精度的海面測(cè)高數(shù)據(jù)，結(jié)合海面地形精確計(jì)算大地水準(zhǔn)面高程，同時(shí)提高該高程估算值的時(shí)間和空間分辨率，通過(guò)反演得到更精細(xì)準(zhǔn)確的海洋和全球重力場(chǎng)，同時(shí)為重力異常的監(jiān)測(cè)和重力分布數(shù)據(jù)的及時(shí)更新提供有效途徑。②盡管目前的激光雷達(dá)衛(wèi)星可以提供大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，然而單個(gè)激光雷達(dá)測(cè)高衛(wèi)星的時(shí)間、空間分辨率和覆蓋率都是有限的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的重復(fù)和高分辨率測(cè)量。因此，有必要研究不同星載激光雷達(dá)測(cè)高數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理以及數(shù)據(jù)同化技術(shù)，研發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和融合方法，消除不同激光雷達(dá)衛(wèi)星之間的系統(tǒng)差異，從而提供一致和完整的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)更高頻率的全球測(cè)高。另外，也有必要融合星載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與光學(xué)、微波觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，利用多源信息的融合實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)更全面和準(zhǔn)確的描述。③盡管星載激光雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度是固定的，由于大氣分子和具有不同特性的目標(biāo)的散射和吸收，返回激光雷達(dá)接收器的能量強(qiáng)度會(huì)存在差異。目前的光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)僅記錄了從目標(biāo)返回的光子數(shù)，而忽略了后向散射的強(qiáng)度信息。然而，后向散射強(qiáng)度能夠反應(yīng)目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)、材料等特性，是值得關(guān)注和挖掘的信息。可以從兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)激光后向散射強(qiáng)度的度量，一是對(duì)同一區(qū)域返回的光子進(jìn)行累積，通過(guò)累計(jì)的光子密度反映該目標(biāo)的后向散射性質(zhì); 二是發(fā)展量子激光雷達(dá)，測(cè)量后向散射激光振幅和相位，并用糾纏光子對(duì)間的強(qiáng)度相關(guān)性表示目標(biāo)的后向散射性質(zhì)。④星載激光測(cè)高技術(shù)目前已應(yīng)用于月球、火星、水星，還可以進(jìn)一步開發(fā)其在深空探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，如對(duì)其他行星的觀測(cè)，獲取行星表面的地形和粗糙度信息。此外，星載激光雷達(dá)還可以應(yīng)用于太空碎片的探測(cè)，迅速對(duì)太空碎片進(jìn)行定位，滿足遠(yuǎn)距離、高精度的探測(cè)需求。
作者簡(jiǎn)介
第一作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)谓?1961-)，男，教授，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)處理, 地理空間大數(shù)據(jù)挖掘與建模。E-mail：jshan@pardue.edu
初審：張艷玲復(fù)審：宋啟凡終審：金 君
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