摘 要：地形测绘技术已由过去的野外测绘发展为利用多种手段进行自动测绘，而利用机载或星载激光雷达进行地形测绘是一种先进的测绘手段，目前在国际上已被普遍采用。该方法与传统的野外测绘比较 ， 具有全天候、精确性高、实时性强等诸多优点。本文主要介绍了利用机载激光雷达并结合全球卫星方面具有较好的精度和效果。
关键词：星载激光雷达；SRTM DEM；地形测绘
0 引言
激光雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）是一种可以精确、快速地获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，通过计算脉冲从激光器发射到被目标反射回激光器接收所经历的时间，计算两者之间的距离，同时通过全球定位系统定位和惯性导航系统可以对目标进行三维测量。与传统的传感器技术相比，LiDAR不但测量精度高，而且数据处理也相对简单迅速，应用范围和发展前景十分广阔。
与机载LiDAR相比，星载LiDAR具有许多不可替代的优势。星载LiDAR采用卫星平台， 运行轨道高、观测视野广，可以触及地球的每一个角落，无论对于国防或是科学研究都具有十分重大的意义。我国地域辽阔，地形复杂多样，平原、高原、山地、丘陵、盆地五种地形齐备，在某些地区如高山区、热带雨林、沙漠区，获得高精度的地形数据较为困难。如何采用新技术和新手段减轻地形测绘生产工作的负担，提高生产效率的问题已经迫在眉睫。因此，如何利用星载LiDAR的成果，扩大其在地形测绘领域中的用途，有着重要的研究价值。
1 ICESAT 卫星的测量原理
1.2 ICESAT 测量原理
ICESAT 沿近圆的近极轨道飞行，高度大约为590km，轨道倾角94 °，可覆盖地球表面大部分地区。搭载在ICESAT卫星上的GLAS通过激光脉冲垂直打点进行高度测量。当 ICESAT在轨运行时，GLAS利用Diode pumped，Q Switched Nd YAG激光器，每秒40次发射红外（1064nm）和绿色（532nm）脉冲，前者用于地面测高，后者用于大气后向散射测量。将光子的传播时间减半再乘以大气中的光速，就可以得到卫星至地球表面激光轨迹的距离。每发射一个激光脉冲，ICESat利用接收到的GPS数据计算卫星的位置，而卫星至地心连线与激光光束的夹角由整合在GLAS上的跟踪相机测得。联合所有测得的数据即可计算出待测的每一个地表点的位置与高程。GLAS的地面垂直分辨率可达10cm。
2 研究实例分析
2.1 研究区概况
某地全市境内地貌类型齐全，区域差异则较明显，地貌类型以山地和丘陵为主。整个地势东西高耸、南部突起、中部低平、北部平坦而由边及里三面逐渐向北倾斜。2.2 ICESAT卫星数据获取ICESAT卫星数据产品GLA14记录了地面光斑的地理位置和高程数据，作为此次研究中的原始数据。
2.3 卫星测高值误差分析
卫星在观测过程中会受到多种因素的影响，观测值中含有多种误差，因此首先须采用模型对其进行改正。
1、对流层折射引起的误差。此项改正主要是依靠光斑位置表面气压确定。研究区的表面气压可根据美国国家环境预测中心 NCEP 的全球气象数据内插得到，它的精度在5mba 以内，对应的误差改正优于1cm。
2、固体潮和海潮引起的误差。固体潮改正采用McCarthy（1996年）模型，海潮改正采 用Yi etal.（1999年）的计算结果，对应的误差改正小1cm。
3、轨道误差。ICESAT卫星径向轨道设计精度为5 cm，实际在定轨时采用了GRACE数据推算的地球重力位模型，已有的观测结果表明卫星的实际径向轨道精度达到了2 cm。
2.4 数据基准统一
由于研究中采取的参考资料坐标为2000国家大地坐标系统，而ICESAT卫星数据采用的参考椭球为TOPEX/Poseidon椭球，首先需将基准统一。ICESAT数据采用的参考框架与 WGS84的参考框架都是ITRF2000，且两个椭球在纬度上的差异不是很大，可直接看成只是在高度上的差异，因此采取下述公式直接计算Z轴上的差值：dh = Cos2Bda + Sin2Bdb式中 da为WGS84参考椭球与TOPEX/Poseidon参考椭球长半轴之差，db为WGS84参考椭球与TOPEX/Poseidon 参考椭球短半轴之差。TOPEX/Poseidon参考椭球参数和WGS84参考椭球参数见表1所示。
ICESAT卫星数据换算到WGS84坐标系统下后，将数据投影到2000国家大地坐标系统，并将椭球高换算为正常高。考虑到研究区有上万条记录，数据量庞大。研究中选取150个具有代表性的试验点做地形信息提取的分析。 试验点要求从每个年份中选取50个，这些点需合理的分布在研究区范围。由于到作为精度参考的吉安市1∶10000 DEM于不同年代生产，要求所选取试验点的年份与DEM生产的年份一致。试验点分布范围如图1所示。
图1 试验点分布范围
2.5 GLAS数据成果分析
根据试验点的椭球坐标可计算出点的正常高，通过与某市1∶10000 DEM比对，可计算出高程差值。比对结果显示， 高程最大差异为 11.062 m， 最小差异为 0.0148m，平均值为2.039m，标准方差为2.625。差异绝对值小于1米的有48个点，处于1米到5米之间的有93个点，大于5米的有9个点。从比较结果看，ICESAT测高具有较高的可靠性，至于差异较大，可归结为以下原因： ①通过与天地图。江西的成果数据比对，发现绝大部分差异绝对值大1米的试验点落在植被上； ②由于地形起伏造成的ICESAT测量误差；③ICESAT 姿态确定、轨道确定误差；④大气折射误差。
3 结语
我们在使用的星载激光高度计数据校对SRTMDE DE做了初步的研究尝试，并得到了理想的效果，为无控制情况下提取大范围的DEM提出了一种思路。GLAS高程数据精度良好，可靠性高，在地形测绘中可以提供可靠的信息。作者认为，利用ICESAT激光测高数据在地形测绘上有很好的应用前景。
参考文献
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