基于ICESat-2多波束激光测高数据的全球海洋重力异常反演分析

卫星测高技术是获取精细海洋重力数据的重要技术手段之一。常规卫星测高反演海洋重力异常主要是利用沿轨测高数据,而跨轨数据因较长的时间间隔或者稀疏的地面轨间距往往不能用于海洋重力异常反演,进而影响了海洋重力异常模型精度的进一步改善。新型激光测高ICESat-2能够同时获得3对光束观测数据,相邻激光束的地面间距约为3 km,为结合跨轨数据改善海洋重力异常模型提供了可能。本文首先给出了集成沿轨和跨轨数据反演海洋重力异常的处理策略;然后,分别利用沿轨数据和集成的数据构建了ICESat-2全球海洋重力异常模型(IS2Gra_alo和IS2Gra_alo_acr),结果表明通过补充跨轨数据能够有效提高沿轨数据反演海洋重力异常的精度,并验证了ICESat-2测高数据反演全球海洋重力异常的可靠性。此外,本文还探讨了ICESat-2不同跨轨数据组合对海洋重力异常模型反演精度的影响,在沿轨数据的基础上集成适当距离的跨轨观测数据能够有利于改善海洋重力异常模型的精度。本文研究为后续SWOT宽刈幅测高数据和我国双星跟飞模式测高数据反演海洋重力异常模型提供了参考意义。

ICESat-2激光雷达噪声光子标识及分布特点研究

利用PhotonLabeler实现对星载光子计数数据的噪声光子标识研究,并分析常见场景噪声光子分布特点,最后生成了一套光子计数噪声标识产品。本研究结果包括:太阳辐射会引起大量噪声出现;海洋区域的噪声光子会受到风浪、水深、海岸线、水中杂质等因素的影响;冰川情况下光子分布多受到积雪厚度、积雪密度、冰盖厚度、冰盖密集度及冰盖表面的粗糙程度等一些外来因素的影响;冬季情况下,噪声光子数目明显少于夏季,分析得出冠层高度及植被覆盖率等因素会引起大量噪声光子出现;多数情况下,弱光束对地表反演能力低于强光束,强光束可以捕获更多的光子点云数据。

一种基于ICESat-2激光光子与SRTM数据的冰川高程变化误差稳健估计方法

针对利用ICESat-2星载光子点云数据进行冰川高程变化监测时,不同地形条件下的ICESat-2激光光子数据质量差异较大导致冰川高程变化量估算误差较大的问题,本文以青藏高原上中国最大的海洋性冰川——恰青冰川为例,联合使用ICESat-2激光测高数据及30 m分辨率SRTM的DEM产品,提出了融合稳健估计准则的多函数拟合冰川高程变化量估算误差改正模型,降低了因地形坡度引起的冰川高程变化量估算误差;进而,估算了2000—2021年间恰青冰川的高程变化速度及质量变化量。结果表明,与对应的传统最小二乘估计结果相比,本文提出的融合稳健估计的函数模型改正效果更优。随后,将改正结果与多种数据进行交叉验证,能够证明该误差改正模型的有效性和可行性。因此,该模型可以有效改善冰川高程和质量变化信息提取的精度,研究结果表明,研究区21年间冰川高程变化速率约为(-0.52±0.56)m·a^(-1),冰川质量变化约为-12773.81×10^(5)t。此外,经过对21年间气象数据的年变化和月变化分析可知,气温和降水量等因素是引起冰川高程变化的主要动因。

ICESat-2水深提取方法及其反演应用

相比于传统水深测量方法,结合主动激光卫星ICESat-2数据与被动光学遥感影像的主被动融合水深反演方法具有低成本、覆盖面积广、不受地域限制、无需地面实测数据等优点.研究选取澳大利亚大堡礁中部的John Brewer Reef和南部的Fitzroy Reef为实验区,开展主被动融合水深反演实验.针对ICESat-2光子点群信噪比低、光子点水深信息提取和改正难的问题,本文提出基于光子点群高斯分布特征的海面光子点群提取方法和基于深度自适应DBSCAN的海底光子点群提取方法,并顾及海面倾斜引起的入射角偏移,改进了Parrish水体折射改正几何模型.实验表明,基于光子点群高斯分布特征的海面光子点群提取方法和基于深度自适应DBSCAN的海底光子点群提取方法可以高效准确地提取出有效的海面、海底光子点群;经过地球物理改正和基于改进模型的水体折射改正后,水深变浅,且改正项与改正前水深呈线性关系,线性系数约为-0.2550.实验将提取并改正后的ICESat-2光子点水深与经大气校正、耀斑校正、空间域滤波等预处理后的Sentinel-2影像进行空间匹配构建水深反演样本集,并利用单波段模型(SB)、比值模型(BR)、Lyzenga多项式模型(LP)、二次多项式模型(QP)、三次多项式模型(CP)、支持向量回归模型(SVR)、多层感知器模型(MLP)、随机森林回归模型(RF)等水深反演模型对实验区全域水深进行反演.通过对比分析多种水深反演模型在不同地理区域和ICESat-2水深样本分布条件下的表现,研究为不同场景下的主被动融合水深反演策略提供了一定的科学依据.

基于ICESat-2和Sentinel-2A数据的森林蓄积量反演

森林蓄积量是林业调查的重要指标,在衡量森林健康状况和评价森林固碳能力等方面发挥重要作用,协同主被动遥感是当前反演大区域森林蓄积量的主要手段。以云南香格里拉森林为研究区,分别提取ICESat-2/ATLAS和Sentinel-2A影像的特征变量,并通过相关性分析和共线性诊断方法筛选特征变量,构建Sentinel-2A变量集和ICESat-2/ATLAS变量集,以及二者联合的变量集,然后结合样地实测数据与3个特征变量集,采用逐步线性回归和随机森林方法分别建立线性和非线性回归模型,反演森林蓄积量,并对结果进行精度验证及对比分析。研究结果表明:对3个变量集,随机森林方法精度均优于逐步线性回归;ICESat-2/ATLAS变量集在2种回归方法下的反演精度均高于Sentinel-2A变量集;联合Sentinel-2A和ICESat-2/ATLAS变量集,随机森林方法的反演精度最高,其R 2,RMSE和rRMSE分别为0.7034,84.78 m^(3)/hm^(2)和36.46%。整体来说,与Sentinel-2A数据相比,基于ICESat-2/ATLAS数据及其与多源数据联合的反演模型均可以提高森林蓄积量反演精度和模型稳定性。

基于ICESat/ICESat-2卫星测高数据的黄河中上游水库水位监测

精确地提取出内陆水库水位高程数据以及分析其变化特征,对气候和生态环境变化、水资源管理等方面的研究具有重要的意义。利用ICESat卫星2003年10月至2009年4月期间的全球地表测高数据与ICESat-2卫星2018年11月至2022年6月期间的全球内陆水体高程数据,对黄河流域龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水库多期历史水位变化数据进行提取,并结合水文站实测数据对其准确度加以检验。结果显示:龙羊峡、刘家峡、三门峡与小浪底水库在水位变化上相互调节水位,确保了水库的安全运行和水资源的合理利用;通过与实测水位对比分析,龙羊峡、小浪底水库ICESat卫星测量水位与实测水位相关性系数分别为0.996、0.997,均方根误差分别为0.323 m、0.4567 m,平均误差分别为0.195 m、0.248 m;龙羊峡、刘家峡、三门峡以及小浪底水库ICESat-2卫星测量水位与实测水位相关系数分别为0.996、0.987、0.977、0.999,其均方根误差分别为0.6308 m、0.9606 m、0.7077 m、0.1354 m,平均误差分别为0.5046 m、0.7684 m、0.5661 m、0.11 m。此外,ICESat数据在一定程度上弥补了数据的缺失,表明全球地表测高数据与全球内陆水体高程数据在内陆水体水位变化监测方面具有很高的可行性。

基于ICESat-2的陕西省SRTM和ASTER GDEM数据对比分析研究

SRTM1 DEM和ASTER GDEM V3作为全球公开使用的最新DEM数据,为地形研究、GIS应用、资源管理、环境监测等领域提供重要的数据支持。本研究旨在分析它们在不同地形和地表覆盖物区域的误差分布情况,探究其在地形表达中的优势、劣势。选取陕西省特有地形,结合地形剖面和曲面误差方法,首次利用ICESat-2分析比较了SRTM1 DEM和ASTER GDEM V3数据的垂直精度在卫星轨道、地形地貌、土地覆盖中的误差分布。通过研究发现:STRM1 DEM和ASTER GDEM V3的总体平均误差分别为0.056 m和5.301 m,受轨道因子的影响,SRTM1 DEM垂直精度高于ASTER GDEM V3。坡度对数据的精度影响占比最大,林地的数据精度显示最低,地貌中平原地区影响最小,但误差随地形起伏不断增加。SRTM1 DEM误差曲面跨度小于ASTER GDEM V3,对于地形表达比ASTER GDEM V3更加精确。分析结果进一步验证了两种DEM数据测绘原理不同导致精度差异。

基于ICESat-2雷达数据的邢台北澧河局部水深测量

水深是水文水资源研究的重要参数之一,对径流量估算、水利工程建设、旱涝灾害防御具有重要意义。为提升水深测量时效性,文章通过对星载雷达反演了河北的北澧河局部水深。结果表明:经滤波处理后的ICESat-2光斑群准确区分了水面与水下地形特征,通过差分处理能有效提取水深信息。研究构建的基于异源遥感数据反演水深方法,可为类似问题的解决提供借鉴。

ICESat-2/ATLAS雷达数据在林业中的应用

ICESat-2/ATLAS作为新一代星载光子计数雷达,较ICESat-1/GLAS在载荷设备、模型算法及测距精度等方面都有了极大的提升。本文介绍了ICESat-2/ATLAS的物理参数、数据产品,并列出了当前ATLAS数据产品去噪分类的各类算法,总结了ICESat-2/ATLAS数据在林业中的应用,包括制作高分辨率的森林高度制图、森林地上生物量的反演、林下地形的反演等,并对比分析了各类研究结果的观测精度及可靠性。最后,对ICESat-2/ATLAS在多源遥感协同不同数据源的应用上进行了展望。本研究能为星载光子计数雷达在林业中的应用提供一定的参考。

ICESat-2数据背景光子特性及滤波方法研究

ICESat-2(Ice,Cloud and Land Elevation Satellite-2)是世界首颗采用光子计数模式的激光测高卫星,可快速获得高精度、大尺度地面三维数据。光子探测机制使得数据中除了地面信号外,还包含大气散射等背景信号,需要通过滤波才能获得地形等信息。为分析ICESat-2背景和信号光子的分布特点及点云滤波算法的效果和适用性,本文首先选取了六种地表覆盖类型(城市、海冰、沙漠、植被、海洋及冰盖/冰川)及不同观测条件的数据,对其背景光子率进行统计分析。分析结果表明:白天观测数据的背景光子率平均为106(点/秒)数量级,远高于夜晚观测数据的背景光子率——104(点/秒)数量级,弱波束的背景光子率与强波束背景光子率相当,六种地表覆盖类型中,冰盖/冰川的背景光子率最高。然后,根据统计结果筛选出21组测高数据,并选取七种具有代表性的点云滤波对其进行去噪实验,分析精度后得出结论:改进局部密度法的去噪效果最佳,算法召回率、精准度和F值均大于0.90,算法较为稳定。最后,对所选取各滤波算法的精度、特点与适用性等性质进行了总结与分析,可为后续该数据的使用和滤波算法的选择提供参考。

基于多波束激光测高卫星ICESat-2观测的垂线偏差解算

卫星测高技术中,传统的微波雷达海洋测高卫星轨道倾角近90°,且只能利用沿轨海面高数据计算垂线偏差,导致其解算垂线偏差卯酉分量比子午分量精度差。ICESat-2搭载的ATLAS系统可同时发射6条激光波束测量海面高,有望通过计算跨轨垂线偏差来提高卯酉分量精度。本研究以中国南海(0°N~30°N,105°E~125°E)为研究区域,基于ICESat-2海面高产品ATL12计算沿轨垂线偏差和跨轨垂线偏差,并利用最小二乘配置法反演1′×1′规则网格垂线偏差。实验结果表明:ICESat-2沿轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e_2159-DOV模型的验证精度分别为0.90″和1.91″,子午分量精度明显高于卯酉分量。而跨轨海面高数据解算的子午分量和卯酉分量与XGM2019e_2159-DOV模型的验证精度分别为2.63″和1.66″,卯酉分量精度明显提高且高于子午分量。

ICESat-2激光雷达海面信号提取和海浪要素计算

美国NASA于2018年发射的ICESat-2 (The Ice, Cloud, and land Elevation Satellite-2)卫星上搭载的ATLAS (Advanced Topographic Laser Altimeter System)是目前为止全球唯一一个对地观测的星载光子计数激光雷达,具有较高的轨向空间采样率,为用遥感的方法探测海浪要素提供了可能。光子计数激光雷达用于海浪探测的前提是能够准确地提取来自海面的信号光子,并确定瞬时的海面廓线。迄今为止,用星载光子计数激光雷达探测海面形态和海浪要素的研究鲜见报道,也缺少专门针对海面信号光子的提取方法。基于海面信号光子的分布特点,文中提出了一种新的信号提取算法:首先通过直方图统计及自适应的阈值选取完成对海面回波光子的粗去噪;然后基于激光雷达光斑尺寸和海面波动特点,选取合适的搜索邻域计算信号点和噪声点密度,根据两者点密度差异对信号光子和噪声光子分类;最后用高斯函数拟合的方法进一步去除密度较大的后向散射噪声光子,最终得到来自海面反射的信号光子。利用上述算法提取了太平洋7个不同海况区域的海面信号光子和瞬时海面廓线并进一步计算出当地海浪的峰值波长和周期。将计算结果与同期欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的全球大气再分析ERA5(ECMWF Re-Analysis5)数据作对比,在不同风速、水深的海域都获得了基本一致的结果,超过半数区域的海浪周期误差在5%以内,初步证明了星载光子计数激光雷达观测成果用于海浪要素计算的可行性。

ICESat-2 ATL08地形和冠层高度产品精度评估

ICESat-2 ATL08地形及冠层高度产品在大范围的森林资源调查研究中的性能还需进一步探究。为此,文章首先对35个生态网络观测站的ATL08地形及冠层高度产品进行整体的精度评估;其次,验证其在不同生物群落中的精度并对单站精度进行定量评价;最后,分析该产品在多种误差因素条件下的性能。结果表明:地形和冠层高度产品的整体RMSE分别为3.23 m和6.58 m;地形高度产品在低矮或稀疏的植被区精度较高,在高大或茂密的森林区精度较低,且其精度随坡度、植被覆盖度及冠层高度的增加而降低;冠层高度产品在温带阔叶林和混交林地区的%RMSE为34.78%,在沙漠和干旱灌木丛地区的%RMSE为127.47%。另外,相比地形高度产品,冠层高度产品受地物覆盖类型、冠层高度和植被覆盖度的影响更严重且影响机制较为复杂。

Sentinel-2和ICESat-2密集时序数据反演浅平型内陆湖泊水量变化

干旱区内陆尾闾湖泊由于湖盆地形浅平、岸线复杂等特点,采用传统的水位-面积关系法难以反演高精度的水量变化信息。本文提出了一种基于密集时序ICESat-2和Sentinel-2数据反演浅平型内陆湖泊湖盆地形和重建水量时序的方法。本文方法利用浅平型湖泊季节性变化显著的特性,筛选和计算不同时期湖盆内非水面区域的所有ICESat-2激光光子点的高程信息,并根据水面等高的特性内插得到Sentinel-2不同时相水面线的高程信息,在此基础上通过这些加密的高程点构建高精度湖盆地形信息,并结合水面时序重建湖泊的水量变化。以新疆塔里木河尾闾台特玛湖为试验区,基于132期Sentinel-2卫星影像和28个时相的ICESat-2激光脉冲数据,重建了2016—2022年的湖泊水量时序。结果表明,本文方法获取的湖盆地形高程中误差为0.103 m,可为无资料浅平型湖泊水量信息的时序重建提供一种思路。

地貌分带下基于ICESat-2与GF-1的珊瑚礁水深遥感优化反演方法

研究以中国南海西沙群岛华光礁西部剖面为试验区,采用高分一号(GF-1)遥感影像及“冰、云和陆地高程2号”(ICESat-2)星载激光测高数据,基于珊瑚礁地貌分带建模优选策略构建了试验区25 m以浅水深遥感反演模型,并将模型外推应用至西沙群岛有实地调查水深数据的珊瑚礁剖面研究区。建模结果显示,礁坡和深潟湖地貌采用波段比值二项式回归模型,礁坪、浅潟湖和点礁地貌均采用多波段比值回归模型,可以使得地貌单元内基于GF-1影像的水深遥感反演达到最优效果。模型反演水深数据与实地调查水深数据相关系数为0.95;实地调查水深数据与ICESat-2深水区数据综合验证结果显示,模型均方根误差为1.34 m,平均绝对误差为1.08 m,平均相对误差为17.10%。研究表明,本文提出的基于地貌的主被动遥感水深反演模型显著改进了珊瑚礁区中分辨率遥感水深反演模型的精度,可为大范围珊瑚礁区高精度的水深反演提供方法支持。

基于ICESat-2/ATLAS和特征参数的森林地上生物量反演

大区域森林生物量估算是植被遥感应用研究的重要内容。利用ICESat-2/ATLAS数据中ATL08产品的高度信息,结合Sentinel-2影像提取的森林覆盖度构建新型特征参数(h_(cover)_#),对原始光子参数,以及加入h_(cover)_#后两种数据,分别利用随机森林方法分析索诺玛县森林区域白天和夜晚强弱光束反演生物量的能力。结果表明:(1)相对于仅利用原始光子数据,加入新型特征参数后,四种场景的生物量估算精度均有不同程度的提高,其中,R^(2)分别提升了0.08、0.16、0.07、0.09,RMSE分别降低了7.56 Mg/ha、13.02 Mg/ha、6.45 Mg/ha、8.25 Mg/ha,rRMSE分别降低了5.13%、10.16%、4.23%、5.76%;(2)在夜晚强光束场景下,联合原始光子参数与新型特征参数构建的生物量模型预测精度最优,R^(2)=0.64,RMSE=73.50 Mg/ha,rRMSE=48.16%。

基于ICESat-2卫星测高的南极冰盖1 km数字高程模型

冰盖的数字高程模型(digital elevation model,DEM)是对冰盖形状的刻画,是研究南极冰盖必不可少的基础数据[1]。然而,受气候变化影响,西南极冰盖发生了剧烈的消融,冰盖的DEM也随之不断地变化。Ice,Cloud and land Elevation Satellite-2(ICESat-2)是美国国家宇航局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)于2018年发射的最新一代激光测高卫星,星上搭载的先进地形激光测高系统(Advanced Topographic Laser Altimeter System,ATLAS)对南极冰盖表面进行了高密度的精确观测。本文利用这一观测数据,使用最小二乘拟合法制作了1 km×1 km网格的南极冰盖DEM。使用NASA冰桥(IceBridge)计划采集的机载激光雷达测高数据评估发现,随着冰盖表面坡度的降低,该DEM的精确度逐渐提高。整体来看,该ICESat-2 DEM与IceBridge高程数据的差值的中位数、均方根和十分位距分别为–0.45 m,17.51 m和17.93 m。在不同坡度范围内,该ICESat-2 DEM的精确度均优于前人基于ICESat-2数据所得到的南极冰盖的DEM。

ICESat-2/ATLAS数据地面高程及植被冠层高度反演精度验证

为验证新一代冰、云和陆地高程卫星ICESat-2/ATLAS陆地与植被高程产品(Land and Vegetation Height)ATL08数据地面高程和植被冠层高度的反演精度,以ICESat-2/ATLAS ATL08产品为研究对象,以黑龙江省帽儿山国家森林公园为研究区域,以高精度机载激光雷达数据及样地实测数据为参考,分析不同波束强度、时间、坡度及植被覆盖度下地面高程和植被冠层高度反演精度差异。研究表明,1)对地面高程来说,ATL08强波束的反演精度均方根误差(RMSE)为1.9 m,平均绝对误差(MAE)为1.1 m,弱波束的精度RMSE为4.1 m,MAE为2.0 m;2)对植被冠层高度来说,以高精度机载激光雷达数据提取冠层高度为参考,强波束的反演精度RMSE为2.7 m,MAE为2.3 m,弱波束RMSE为5.4 m,MAE为3.7 m。以样地实测树高数据为参考,夜间所有波束精度RMSE为1.8 m,MAE为1.6 m;3)随着坡度从0°增加到20°以上,地面高程反演精度的RMSE从2.3 m增大到7.7 m,植被冠高反演的RMSE从3.8 m增大到10.4 m;4)中低植被覆盖度范围(0%~80%)内,ATL08产品能较好地测量出地面高程,RMSE均小于1 m。高植被覆盖度(80%~100%)区域反演精度RMSE为3.5 m。在中等植被覆盖范围(40%~80%)内,ATL08产品能较为准确地测量出植被冠层高度,RMSE为2.6 m。植被覆盖度过高(80%~100%)或者过低(0%~40%),其精度都会下降,RMSE为4.6 m和3.3 m。ATL08数据反演地面高程和植被冠层高度的精度强波束优于弱波束,夜晚波束优于白天波束,夜晚强波束精度最高。随着坡度的增加,不同波束的地面高程和植被冠高反演误差均逐渐增大,坡度越大误差越大。地面高程反演在中低植被覆盖度情况下较为准确,植被冠层高度反演精度在中等植被覆盖度情况下达到最高。

双站InSAR和ICESat-2测高相结合的西昆仑山近20年冰川物质平衡变化监测

山地冰川物质平衡是研究冰川变化的重要参数。自21世纪初,全球气候变暖背景下大部分山地冰川消融加速,而青藏高原西昆仑山冰川却呈现稳定甚至冰量增加趋势,被认为是“喀喇昆仑异常”的中心,但该地区近年来冰量变化是否仍延续正平衡趋势还存在一些争论。因此,本文利用新近发布的ICESat-2卫星测高和TanDEM-X 90m DEM数据,定量估算了2013—2019年间西昆仑山冰川厚度变化和物质平衡,并结合SRTM DEM、冰流速资料和Landsat光学影像分别分析了该地区近20 a冰川物质平衡变化趋势、冰川跃动情况和冰川面积变化。结果表明:①2013—2019年间,西昆仑山大部分冰川仍处于积累或平衡状态,物质积累速率为0.228±0.055 m w.e./a;②近20 a内,冰川整体呈正平衡趋势,但2013—2019年冰川物质年均积累速率大于2000—2013年(0.173±0.014 m w.e./a);③2013年后,冰川跃动仍广泛分布,发现5Y641F0046冰川首次发生跃动,西昆仑冰川东支和5Y641F0073冰川近20 a内一直处于活跃期,中峰冰川由2013年前的活跃状态转为静止且冰量开始增加。

ICESat-2与多源光学影像的潮滩地形反演方法

针对潮滩地形监测存在的操作难度大、价格高、精度低等问题,本文基于ICESat-2卫星激光点云剖面数据,提出了结合多源光学影像的潮滩地形反演方法。以中国黄海辐射沙脊群的两大沙洲系统——条子泥与高泥为研究对象,利用低通滤波降噪技术提取地形高度值,并与潮汐水位数据相结合赋值,实现了从二维到三维的转换,提高了目前主流的水边线潮位赋值法的反演精度。该模型展现了更多滩面地形起伏变化的细节,高度差异明显,可以观测到清晰的潮沟地形。对比实测数据,相关系数为0.89,均方根误差为0.34 m。研究结果验证了ICESat-2数据对于潮滩地形反演的重要作用,为构建人类活动影响下的潮滩演化理论奠定了数据基础。