星载激光测高技术在测绘中的应用和发展

邱庞合 陶宇亮,2 王春辉,2 伏瑞敏,2

星载激光测高技术在测绘中的应用和发展

邱庞合1陶宇亮1,2王春辉1,2伏瑞敏1,2

（1北京空间机电研究所，北京 100094）（2中国空间技术研究院空间激光信息感知技术核心专业实验室，北京 100094）

激光测高技术在空间应用中具有重要科学意义和价值，在高精度卫星测绘系统中已得到应用验证，显著提升了立体影像的高程精度。目前对该技术相应的总结及分析较少，因此分析其应用和发展能为后续研究提供基础理论。文章简述了星载激光测高定位机理和误差源，并介绍了激光测高数据作为高程控制点的扩展应用方法。通过分析国外典型星载激光测高系统技术和发展脉络，对星载激光测高技术发展趋势及应用进行了总结，给出了适应不同任务需求的星载激光测高载荷的应用建议；对星载激光测高系统中所涉及的星载激光测距和激光指向测量技术及发展进行了分析和对比；最后，给出了国内星载激光测高技术的部分成果及研究进展。

激光测高仪 激光测距 指向测量 光子计数 卫星测绘

0 引言

地理信息是国家重要的基础战略资源，中国的国土地形测绘、极地冰盖测量、海陆交界测绘、林业生物量探测、城市规划管理、灾害环境监测等多个领域都迫切需要大量精确的三维遥感信息。航天光学测绘是获得基础地理信息的有效手段，发展该技术及其应用，对国家“一带一路”战略的推进、维护国家的安全、国民经济的发展，研究全球地形、生态、气候、环境的变化等都具有重要意义[1]。

随着测绘任务需求的提高与扩展，对测量精度和基线稳定度要求越来越高，对卫星姿态和轨道测量精度要求越来越苛刻，传统光学摄影测量手段工程实现难度大，单一手段实现较大比例尺立体制图工程上愈发困难，已然无法满足测绘任务要求。另外，传统光学摄影测量手段也会存在一些局限性，受光照条件的限制，无法全天时工作；纹理特征不明显的冰原（即被大量冰雪覆盖的大面积陆地）、滩涂等区域以及建筑密集有遮挡的城市等特殊区域，由于难以识别同名点，该测绘手段应用受限。

激光测距具有“单点测量”的特点，即每一束激光每一个脉冲通常都可直接获得距离相关的信息，具有特殊区域地理信息的获取能力。对于星载激光测高仪，测距精度较高并受距离影响较小，且高程精度误差传播系数较小，更容易获取高精度的高程测量数据[2-3]。另外，激光能够全天时工作，可以穿透薄云，可以快速高效地生成数字高程模型（Digital Elevation Models，DEM）。

光学测绘引入激光测高技术具有重要科学意义和应用价值。一方面，把激光测高作为辅助手段，将激光测高数据与光学影像联合处理，可以提高立体影像的高程精度；另一方面，随着高密度采样的激光三维成像雷达的发展，激光将成为独立测绘的手段，与光学摄影测量和干涉合成孔径雷达等发挥同等重要的作用。

本文将简述星载激光测高仪定位机理和激光测高数据的应用，通过分析国外典型星载激光测高系统，对其发展趋势及应用进行了总结，分析了星载激光测高中所涉及的激光测距和指向测量的主要技术路线，最后介绍了国内星载激光测高技术的部分成果及进展。

1 星载激光测高技术

1.1 激光测高定位机理

星载激光测高仪的测高原理与雷达高度计基本相同，即先由激光发送器向星下点方向发射激光脉冲，此时激光脉冲在地面上会形成一个激光亮点，即为激光足印或激光脚点，然后激光脉冲经地面漫反射或大气分子散射形成返回脉冲，返回脉冲由测高仪上搭载的接受望远镜送至光电倍增管接收，经对返回脉冲的时延以及其他特征进行处理，即可得到地物信息。

图1 激光足印定位模型

图2 激光足印大地测量坐标

由上述模型可知，激光足印定位受多种误差影响，不仅与激光测高仪本身的测距误差有关，还包含激光测高仪相对于卫星质心的确定误差、卫星轨道径向误差和水平误差、激光指向误差、大气延迟误差、时钟同步误差以及其它（潮汐、大气后向散射、回弹等）误差，涉及激光测量的全链路。

1.2 星载激光测距技术发展

星载激光测距一般采用脉冲时间飞行法，通过测量发射脉冲和目标反射回波的时间差进行距离测量。目前，国内外星载激光测距主要采用三种技术方案，分别是：基于模拟探测的阈值测距技术、全波形采样测距技术和光子计数测距技术，可以满足不同的星载测绘应用场景。

全波形采样测距技术不再利用阈值鉴别主波（发射脉冲）和回波时刻，而是采用高速采样电路对完整的主回波波形进行记录，采用波形质心作为测量时刻，进而获取距离信息，如图4所示。另外，通过对回波的波形分析，还可以获取足印区域的反射特性和结构信息。

图3 阈值测距原理

阈值测距和全波形采样测距都属于模拟探测模式，该模式的探测灵敏度较低，要求每个测量脉冲有较高的信噪比，所需的激光能量与孔径的乘积较大。对于多波束高密度采样星载激光雷达而言，该技术所需功耗和口径较大，工程难以实现。

图4 全波形测距原理

图5 光子计数测距原理

近些年，光子计数测距技术因为测量精度高、动态范围宽的优势而受到越来越多的研究学者和机构的关注。不同于其他测距技术，光子计数激光雷达系统每秒发射数千个激光脉冲，并记录后向散射和漫反射到接收器的单个光子的传播时间。单个光子的飞行距离则可以通过记录的光子到达时间得出，从而实现对地表高度的测量。因光子计数激光雷达可对单个光子敏感，其激光发射能量要远低于线性探测激光雷达。此外，光子计数激光雷达在低能量消耗下的高灵敏度的特点使得光子计数激光雷达系统有望延长激光寿命，并能够在更高的高度飞行，从而提供更大的覆盖范围。

光子计数测距技术采用灵敏度达到极限的单光子探测器，回波信号只需要几个光子，所需发射脉冲能量大幅降低，为增加波束数量和发射重频创造条件，适用于获取高程控制线/面。由于光子探测器灵敏度极高，对噪声同样敏感，单次脉冲测量无法区分噪声和信号，因此，必须通过多脉冲统计，依靠目标回波的时空相关性完成信号提取和距离测量，如图5所示。光子计数测距技术在测距理念上发生了根本性改变，为了实现复杂背景和地形的大动态高精度测绘任务，必须采用多元探测方案，优化系统设计参数，同时密切结合数据处理方法。

1.3 激光指向测量技术发展

激光指向精度很大程度上决定了激光测高仪的平面定位精度，对高程精度也会产生影响，尤其是非平坦地区。高精度的卫星姿态测量精度并不代表高精度的激光平面定位精度。在轨环境下，光学测绘载荷在微重力场、温度场和微振动等的影响下，姿态测量系统与激光雷达指向夹角会发生变化，影响定位精度。为了保证指向精度，设计时需要将星敏感器与激光测高仪进行关联，或者将高分测绘相机与激光测高仪进行关联，即系统一体化、等温化并刚性安装，减小中间的误差环节；其次，为了对激光指向进行校正，进一步提高定位精度，须设置激光指向参考系统。目前主要有两种技术路线——足印相机技术和基于星空的指向测量技术。

1.3.1 足印相机技术路线

在辅助立体测绘中，普遍采用足印相机，同时对发射的激光和地表进行成像，如图6所示。虽然称为足印相机，但其并不能对地面激光足印成像，而是通过导光光路将激光器出射的光导入足印相机，获得激光指向信息，此时足印相机中无法对足印成像，而是获得足印相对于地物的相对位置。足印相机对激光脉冲和地面景物成像，然后将两种信息融合，建立激光发射方向与地面影像相对的空间位置联系，再将足印相机与高分测绘相机的地表图像进行匹配，最终确定激光足印在高分测绘相机图像中的等效位置，以此作为影像控制点，用于平差修正立体影像高程。足印相机也存在一定的局限性，由于其需要对地物成像，易受光照、地物纹理和云层的影响。另外，足印相机本身只能提供激光指向的相对坐标定位，为了实现在ICRF或ITRF框架下的绝对坐标定位，则必须在高精度卫星姿轨、激光测高仪和立体相机之间建立完整的指向关联，并能够实时监测。

1.3.2 基于星空的指向测量技术路线

为了获得足印的绝对坐标，地学激光测高系统（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）和先进地形激光测高系统（Advanced Topographic Laser Altimeter System，ATLAS）均采用基于星空的激光指向参考系统（如图7所示），其主要由1个光斑分析相机、1个激光参考相机和恒星敏感器组成。该系统采用激光参考相机同时对星空和激光器出射的光束进行成像，通过激光参考相机图像与姿态确定系统中星敏图像匹配，从而确定激光波束在ICRF坐标系下的矢量方向。GLAS激光参考相机采用双通道设计，激光参考探测通道对星空和激光同时成像，光斑成像探测通道对激光光斑精细成像获取激光远场分布特性。基于星空的激光指向测量方案不受光照和云层等影响，与地物特性无关。

图6 足印相机工作原理

图7 基于星图的激光指向记录系统

2 国内外星载激光技术的测绘应用

2.1 国外应用情况

（1）水星激光测高仪

水星激光测高仪（Mercury Laser Altimeter Instrument，MLA）是美国“信使号”水星观测任务的科学有效载荷之一，随整星于2004年发射[6-7]。水星激光高度计采用高性价比的低重频（8Hz）发射、线性多阈值多回波探测技术，以适应不同轨道高度和地形的回波。

（2）地球科学激光测高系统

美国于2003年发射了对地观测的“冰星”（Ice，Cloud and land Elevation Satellite，ICESat），配备了地球科学激光测高系统（Geoscience Laser Altimeter System，GLAS）。GLAS的主要任务是监测全球冰盖高程及其变化。GLAS采用了低重频大光斑发射、线性全波形测距技术和基于星空的指向测量技术。GLAS的激光发射重频为40Hz，地面光斑直径约66m，沿轨足印间隔175m，高程精度约15cm，平面定位精度可达10m量级[8-9]。

（3）先进地形激光测高系统

继ICESat之后，ICESat-2于2018年发射，其有效载荷被称为先进地形激光测高系统（ATLAS）。ATLAS方案做出了重大调整，不再采用低重频发射、线性探测技术，而是采用高重频微脉冲发射、光子计数体制探测的激光测距技术，沿轨方向可以获取密集高程廓线。激光测高系统发射重频10kHz，地面足印直径约10～15m，沿轨方向光斑间隔约0.7m；通过DOE分束器（Diffractive Optical Element，DOE）利用衍射作用将入射激光分成多束出射激光，形成3组6波束配置；组内两波束能量一强一弱，并且采用了多阳极光电倍增管（Program Map Table，PMT）光子探测器件，以提高系统的动态范围和测距准确度，增强环境适应能力，它同样采用了基于星空的激光指向测量技术实现绝对坐标定位[10-11]。ATLAS入轨后的测量数据已经得到验证，填补了作为南极东西分界线的横贯山脉地理测绘空白，获取了海冰厚度分布数据、冰雪表面超精细结构、森林结构数据、海浪信息，还获取了水质良好的浅海水深数据。

（4）激光雷达地形测绘系统

美国国家研究委员会（United States National Research Council，NRC）提出了对地观测十年计划，其中激光雷达地形测绘系统（LiDAR Surface Topography，LIST）被列为15个推荐任务之一，是真正意义上的高分辨率激光立体测绘。LIST主要任务包括全球陆地、冰盖和冰原测绘、植被垂直结构测量。该系统也采用微脉冲光子计数体制，拟实现1 000波束、10kHz重频、5m足印、5km幅宽的测绘，并于2011年完成了飞行试验验证[12]。

通过几十年的技术发展，星载测绘体系逐步完善。激光测绘技术已经从试验阶段进入应用阶段，在立体影像平差修正、极地冰盖测绘等方面发挥着不可替代的重要作用。

激光测绘为了适应不同任务需要和任务环境，阈值、全波形和光子计数等多种技术机制会并行发展，在辅助立体测绘、高程控制测量以及独立测绘等方面将发挥各自不同的作用。激光雷达波束数越来越多，光斑足印越来越小，发射重频越来越高，探测器阵列化发展，探测灵敏度越来越高，定位精度越来越高，产品类型越来越丰富。

针对未来不同的星载激光测绘任务，采用不同的方法和手段：

1）对于高纬度的极地冰盖等纹理特征不明显的区域，应以激光测量手段为主，由于轨道倾角接近于90°，为非太阳同步轨道，不利于光学摄影测量，应单独应用激光或者考虑激光结合合成孔径雷达复合使用，配合基于星空的激光指向测量系统完成绝对坐标定位。

2）对于中低纬度纹理丰富的区域，应以光学立体摄影测量手段为主，轨道选用适合光学摄影的太阳同步轨道，配合稀疏波束的激光测高手段，利用影像控制点修正，满足幅宽大、效率高的测绘需求。

2.2 国内应用情况

2.2.1 “资源三号”02星激光测高仪

“资源三号”02星星载激光测高仪是中国首个自主研发的星载对地测绘激光测高仪，由北京空间机电研究所研制，于2016年5月30日发射，取得了多轨测量数据。该激光测高仪采用了阈值探测技术，其轨道高度为（500±20）km：测距精度优于1m；激光器波长为1 064nm、重频2Hz，单脉冲能量200mJ，脉冲宽度5～7ns；接收口径为230mm，采用线性模式探测。国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心利用多个区域对激光测高仪进行了在轨测试和验证。其中，检校场区域其高程精度为0.89m；华北地区其高程精度为1.09m；渤海海域其高程精度为0.47m。另外，在陕西渭南试验区，将激光足印点作为高程控制点，能够将该卫星立体影像无地面控制的高程精度从1 154m提高到190m，体现了激光测高仪的价值，证实了利用激光高程控制点平差修正立体影像的有效性，该方法可在全球测图工程中推广应用[13-16]。

2.2.2 “资源三号”03星激光测高仪

“资源三号”03星激光测高仪采用与02星一样的阈值测距技术，于2020年7月发射。为了满足用户的业务化运行需求，采用了前后沿鉴别和多阈值多回波探测技术，单次脉冲可以获取多次回波以及不同阈值处的波形脉宽，提升地形环境的适应性，多重有效信息的获取可以完成测高数据的置信度评价。相比02星，其地面足印设计指标减小到50m，增加了备份设计并具有主备双通道同时开机的能力。

2.2.3 陆地生态碳监测卫星植被测量激光雷达

陆地生态系统碳监测卫星是国内第一个以激光雷达作为主载荷的对地遥感卫星，其主任务为林业探测，北京空间机电研究所承担研制植被测量激光雷达。该系统采用线性全波形采样测距体制，设计指标为：5波束发射，工作波长1 064nm，发射重频40Hz，地面足印直径25m，接收口径1 000mm，采样频率1.2GHz。该系统采用了激光测量通道和高分成像通道共口径光学设计，并且具有在轨多波束光轴监视及收发匹配调整能力。

2.2.4 多波束光子计数激光雷达

为了适应下一代激光测绘任务，围绕星载光子计数激光测绘载荷研制的需要，目前国内已经开展了高重频微脉冲激光器技术、衍射光学元件（Diffractive Optical Element，DOE）分束技术、盖革模式雪崩二极管（Geiger mode Avalanche Photodiode，GmAPD）探测技术、多阳极光电倍增管（MultianodePhoto Multiplier Tube，MaPMT）探测技术、基于时空相关的光子计数点云处理技术、基于星空的激光指向记录技术和在轨收发匹配控制技术等关键技术的攻关和工程化研究。“十二五”研制了基于光斑细分的多波束光子探测激光雷达原理样机（如图8所示）。采用大光斑发射、分视场细分接收和盖革模式APD探测等技术，并进行了外场测距试验[17-18]。“十三五”为了满足多波束推扫测绘需求，研制了基于DOE分束、小光斑发射和多阳极光电倍增管探测技术的光子计数激光雷达（如图9所示）；并于2019年6月在黄河口镇开展了机载飞行试验，获取了建筑物、树木和浅水等不同地物目标沿飞机飞行方向的光子点云，如图10所示。

图8 大光斑细分激光雷达

图9 多波束推扫激光雷达

图10 机载飞行试验及测量点云图

3 关键技术及发展启示

3.1 高程控制点的选取和应用

中国已经初步建成高精度的平面控制点数据库，基本解决了1:50 000的中国数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM）快速生产及更新的问题，而覆盖全球的高程控制点数据库的建设相对薄弱[19-20]。激光测高仪可以提供高精度的高程数据作为高程控制点，但是高程控制点的选取是有特殊要求的。通过激光测量手段，孤立获取的绝对坐标点，常常无法直接当作控制点与地面影像匹配使用，或者使用效果不好。

首先，星载激光足印不是一个几何意义的“点”，足印大小受传输距离、激光发射光束品质、抖动和大气前向散射等影响，足印直径通常较大，一般在几十米量级。而立体摄影相机的影像分辨率往往很高，甚至优于1m，两者进行匹配时，需要将足印作为一个“面”区域去考虑。在此条件下，地形坡度、粗糙度和激光远场光斑能量分布等都会对回波波形产生影响，降低高程测量精度。此外，激光在往返大气的传输过程中，还会受到云层的前向散射、大气湍流和地表反射率等因素的影响，最终导致较大的测量误差，这种测量点则不适合作为高程控制点。因此，必须对激光测量数据进行筛选，才能作为高程控制点使用。

采用其它数据源，如美国航天飞机雷达地形测绘任务（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）的DEM数据可以对激光测高数据进行高程粗差剔除，利用云量、饱和度参数、地表反射率、回波波形的波峰数和波形拟合后高斯函数的标准偏差等设定一定阈值，对激光测高数据进行多重准则筛选分析，保留受云层、大气和地表反射率等影响较小的激光足印点，最后结合激光测高仪的回波波形特征参数做进一步精细筛选，提取出高精度的激光足印点作为高程控制点[21-23]。

3.2 激光足印的空间相关性和扩展应用

激光足印可分为两种应用情况，一种是稀疏的控制点；一种是密集测量，形成廓线。

对于稀疏的高程控制点，根据激光测高辅助立体测绘相机摄影测量仿真评估，直接将低脉冲重复频率（重频通常是赫兹量级）的激光测高数据引入平差过程，理论上只需要少量的激光辅助控制点就能很好地改善平差效果，平差稳定性和可靠性都有明显提高，能够满足大比例尺的成图精度要求[21]。但是，在多源数据融合使用过程中需要注意一些问题。由于激光足印是稀疏的且平面精度较低（十几米到几十米），在没有其它辅助影像信息的情况下，激光高程控制点与相关影像点的直接匹配难度很大，这种数据仅适用于地形整体较为平缓且对平面匹配精度要求不高的测绘区域。在地形较为复杂的地区，需要结合足印内的地物信息，将激光回波波形信息进一步处理分析，才能提升匹配精度。

在摄影测量难以发挥作用的极地冰盖区域，激光成为获取三维信息的主要手段。高重频（重频通常是千赫兹量级）发射可以在卫星沿轨方向提供良好的空间相关性，形成高程廓线而非离散点，所以可以更为精准地描绘复杂地形。当波束间距较大时，波束之间缺失空间相关性，需要通过卫星多轨复飞，弥补波束轨迹之间的地形信息，最终生成DEM。当发射重频足够高和波束间隔足够小，使面采样密度接近于成像分辨率时，即达到了“三维成像”的效果，也就是说在沿轨方向和垂轨方向，激光采样点都具有良好的空间相关性。对于个别遗漏或者偏差较大的测量点，可以通过空间的关联性予以校正，该使用方式发生了巨大的变化，即单轨推扫直接生成三维高程网格，高效地生成复杂的地形图。

3.3 启示

高程控制点的选取对于星载激光雷达测绘而言是影响其测量精度的关键，因此，应挑选大气透射率良好（无云或微云）、植被稀疏、地形坡度平缓的目标区域，更容易得到优质的高程控制点。对于载荷设计而言，窄脉宽、小足印、高精度测距和高精度指向测量是必要条件。在获取激光定位信息的同时，获取实时的大气参数、云图、地面影像和地面反射率等信息，能更好地从完整的测量链路角度予以校正，提升控制点的精度和应用效能。

4 结束语

星载激光测绘数据在全球地理信息获取、森林碳储量监测、极地冰盖测量等领域具有重要的应用价值，激光测高技术在高精度测绘卫星上已经得到了成功应用，有效提升了立体测绘影像的高程精度，并发展形成了不同类别技术路线和不同系列产品。

用于对月球和火星等测绘的深空探测类激光测高仪，受限于系统资源，普遍采用阈值测距技术，并向低功耗和轻小型集成化方向发展。对地测绘类激光测高仪则追求多波束、高重频和高精度，从全波形测距技术逐渐向光子计数测距技术发展，并同时测量激光指向。

中国星载激光测绘技术虽然取得了一定的进步，已经成功应用了阈值测距技术、全波形测距技术和基于足印相机的指向测量方案，但是在光子计数技术和基于星图的指向测量技术方面还不够成熟，有必要做好测绘体系的顶层设计，积极做好前沿技术储备，加快工程化和业务化进程。

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Application and Development of Laser Altimetry in Satellite Surveying and Mapping

QIU Panghe1TAO Yuliang1,2WANG Chunhui1,2FU Ruimin1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Space Laser Information Perception Technology of CAST, Beijing 100094, China）

Laser altimetry technology has important scientific significance and value in space applications. It has been applied and verified in high-precision satellite mapping systems, significantly improving the elevation accuracy of stereo images. At present, the corresponding summary and analysis of this technology are few, so analyzing its application and development can provide a brief overview and basic theory for follow-up research. This paper briefly describes the positioning mechanism and error sources of spaceborne laser altimetry, and introduces the extended application method of laser altimetry data as an elevation control point. By analyzing the technology and development context of typical foreign spaceborne laser altimetry systems, the development trend and application of spaceborne laser altimetry technology are summarized, and application suggestions for spaceborne laser altimetry payloads that meet different mission requirements are given. The technology and development of spaceborne laser ranging and laser pointing measurement involved in the spaceborne laser altimetry system are analyzed and compared. Finally, some achievements and research progress of domestic spaceborne laser altimetry technology are given.

laser altimeter; laser ranging; transmitter pointing determination; photon-counting; satellite surveying and mapping

TP79

A

1009-8518(2023)01-0102-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.011

2022-03-16

邱庞合, 陶宇亮, 王春辉, 等. 星载激光测高技术在测绘中的应用和发展[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(1): 102-111.

QIU Panghe, TAO Yuliang,WANG Chunhui, et al. Application and Development of Laser Altimetry in Satellite Surveying and Mapping[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 102-111. (in Chinese)

邱庞合，女，2000年生，2020年获首都师范大学光电信息专业学士学位，现在中国空间技术研究院光学工程专业攻读硕士学位。研究方向为空间激光雷达指向测量。E-mail：1371280479@qq.com。

（编辑：庞冰）