海洋遥感▏ICESat-2激光测高卫星应用研究进展
一、引言
在全球气候变暖的背景下，温度的升高加剧了两极冰盖及其周围海冰的消融，同时也使得大气变得更加湿润，带来了更多的降水。为了更好地认识和理解气候变化对极地冰盖质量平衡、海冰厚度以及全球海平面变化等影响，美国宇航局于2003年1月13日发射了第一颗激光测高卫星—冰、云和陆地高程卫星(ICESat)。地球科学激光高度计系统(GLAS)作为其主要荷载，首要任务就是确定极地冰盖质量平衡及其消融对海平面上升的贡献，并预测未来气候变化对极地冰川质量和全球海平面的影响。同时对测量云层的高度以及云层和气溶胶的垂直结构，陆地地形、粗糙度、反射特征、植被高、积雪和海冰表面特性等同样具有重要研究价值。ICESat激光高度计在6年半的工作时间内，获取了大量全球高精度表面数据，为诸多领域的科学研究和实际应用提供了宝贵的数据源。
基于ICESat卫星出色的表现，使得后继ICESat-2激光测高任务成为了美国国家研究委员会推荐在2010～2020年期间最优先发展的卫星观测任务之一。ICESat-2将继续延续ICESat观测任务，并在原有的高度计和数据处理算法的基础上进行多项改进和优化。多波束、高重频、微脉冲、短脉宽和单光子计数技术的使用，极大提升了对地观测结果的精度和可靠性。可以预见，在未来几年内，ICESat-2将连续运行以提供高分辨率、高精度的冰盖、海冰、树冠高和内陆水位等地表观测结果，从而能够量化冰盖质量平衡变化对全球海平面的贡献，理解影响冰盖质量变化的驱动因素；监测海冰厚度变化，探究冰、海洋和大气的质量、能量和水的交换机制；测量植被高度、垂直结构和空间分布，预估森林生物量及其季节变化；反演陆地地形，服务于实际生产建设需要。
二、ICESat-2荷载及性能改进
2018年9月15日，ICESat-2在美国范登堡空军基地成功发射，这标志着星载激光对地连续观测新纪元的开启。ICESat-2的唯一荷载仪器是一部先进地形激光测高仪系统(ATLAS)，该激光高度计在美国航空航天局(NASA)戈达德太空飞行中心完成组装和测试。ATLAS采用多个模块单元集成的箱体结构，见图1。
图1 ATLAS单元模块组成示意图
平台上安置了两台激光器，在运行期间仅使用一台激光器发射脉冲。1号激光发射的激光被折叠式反射镜(FM)反射到发射器路径中，而2号激光器发射的激光是通过偏振光束组合器反射到发射机路径中。激光由反射型光束扩展器进行扩展，通过波束转向机制到达衍射光学元件，在此单脉冲被分割为6个波束。相比与ICESat主要荷载GLAS采用的全波形记录方法，ATLAS运用了单光子计数技术，单光子计数激光雷达系统每秒发射10000个激光脉冲。该技术的优点能够产生高重复频率的脉冲，从而提高卫星沿轨分辨率。
激光参考系统(LRS)以及安装在ATLAS平台上的恒星跟踪仪和陀螺仪在同一个参考坐标系下，测量激光器发射脉冲的指向和恒星位置，并将这些数据向地面传输。为了确保从地球表面反射的激光能被ATLAS望远镜接收到，激光点将保持在ATLAS视场范围内，ATLAS 利用对准监测控制系统，主动将发射的激光束对准望远镜视场。该系统监测望远镜的指向方向，并使用光束转向镜保持激光点在望远镜视场内。从而保证获得高质量的对地观测结果。
ICESat-2卫星配备了全球定位系统(GPS)天线和双频接收器。GPS数据被下行传输到地面站进行处理，以确定高度计观测位置，其径向精度大约在3cm 以内。联合ATLAS的脉冲发射和返回时间以及激光器的指向方向测量值，进而将观测数据转换为地面上的精确的足迹位置和相应高程。
图2 ICESat-2测量示意图
如图2所示，波长为532nm的脉冲被衍射光学元件(DOE)分割为6个波束，分3对排列。波束对在地面上的间隔为3km，相邻最近的两条波束间隔为90m。单条脉冲可以提供6组观测数据，极大地提高了地面轨迹的覆盖范围，提升了ICESat-2全球观测结果的应用潜力。在极地冰盖，特别是重点关注的冰盖边缘区域，由于ICESat-1不能实现严格的地表重复轨迹覆盖，实际观测结果在沿轨和交轨方向上存在明显的地理位置偏差，从而在计算冰盖高程变化时，不可避免的引入高程误差。实际计算过程中需要10次或更多次有效观测才能较为准确地恢复出冰盖的高程变化。平均需要大约5年的测量周期，才能达到所需的冰盖高程变化精度。此外，以这种方式评估dh/dt的可变性，需要假设在整个任务期间冰盖表面斜率是恒定的。这种假设对于冰盖内部来说是合理的，但在冰盖边缘附近，整个任务期间，坡度极有可能会发生很大变化，特别是某些边缘区域发生大的崩解和分离事件。因此，这些关键区域的变化，就需要同时测量跨轨方向的坡度和高程。波束间距90m的设计将使ICESat-2能够确定冰盖的局部斜率，从而使单个重复参考轨迹确定实际的高程变化成为可能。同时，ICESat-2采用了交叉轨道，6条波束可以得到36个独立的交叉点，提供9个交叉改正.此外，在实现确定表面坡度的情况下，每个波束对都由能量强弱两条波束组成，高能波束可在低反射率目标上实现更好的性能。
ICESat-2在轨道设计上与ICESat相似：500km的轨道高度，91天的重复周期和92°的轨道倾角。综合考虑时间和空间采样，提供最大的地面轨迹覆盖密度，允许每3个月对地进行一次观测，这有助于探究极地冰盖的季节性变化，并且子周期(1个月)观测有利于监测海冰的月变化，同时也具备了上述单条轨道实现轨道交叉，提供准确的坡度改正优势。
由于ICESat在运行前期两个激光器过早损坏，为了延续观测寿命，后续的观测方案降低了ICESat观测的时空分辨率。为了避免相同问题出现，ICESat-2采用了脉冲能量在0.2～ 1.2mJ的微脉冲。在低能量状态下即可实现高精度测量，有利于减缓激光器的损耗，从而延长ICESat-2运行期限。如表1所示，ATLAS采用微脉冲激光发射器，激光波长为532nm (可见绿色)，脉冲宽度为1ns，工作频率为10kHz。这些改进，使得ICESat-2沿轨迹方向空间分辨率达到0.7m。空间分辨率相对于ICESat有极大提升，显著提升了在地形起伏较大或表面非常粗糙地区的高程观测精度，同时更利于捕获海冰干舷的变化。
表1 ICESat与ICESat-2高度计主要参数对比
三、数据产品
在ICESat-2未发射之前， 考虑到GLAS和ATLAS激光高度计之间的差异，NASA利用高空飞机(ER-2) 进行了多波束测高仪雷达(MABEL)实验，通过模拟ATLAS观测结果来预验证ICESat-2任务。MABEL包含了ATLAS的许多关键特性(即多光束、光子计数检测、数据密度和每秒数千个激光脉冲)，用于产生具有类似特征和响应的模拟数据集，协助科学家开发ICESat-2的算法，并描述地面系统的数据流和负载。与ATLAS一样，MABEL导出的地表高程精度取决于地表特征和大气传输状况。对于被雪覆盖的表面，研究人员发现，数个MABEL光束的精度与ATLAS的预测一致。ICESat-2通过X波段下行链路，将其科学数据传输到弗吉尼亚州观测站。原始数据被发送到戈达德太空飞行中心，经过加工处理成数据产品。这些产品每天再以1万亿字节的传输速率，被发送到科罗拉多的国家冰雪数据中心(NSIDC)进行分发和存档。ICESat-2/ATLAS包含两种Level-1产品：ATL01(用于计算光子传输时间)和ATL02(针对温度和电压影响对其进行校正)。原始0级遥测数据不对外公开。借助辅助数据(精确指向和精确定轨地面处理数据)对ATL02产品进一步处理，生成包含每个光子的纬度、经度和大地高的ATL03产品，并经过多种地球物理现象(例如大气层和固体地球变形的影响)改正。同时，每个信号被初步分类为光子信号或可能的背景噪声。为了区分背景光子信号，ATL03处理生成光子数量与高度的函数关系直方图，并计算每个直方图的信噪比。ATL04为归一化大气后向散射数据，每秒包含25次记录，同时也包括极性区域的校准系数。
除此之外，ICESat-2/ATLAS以ATL03产品为基础，进一步处理生成包括了针对陆地冰、海冰、大气、植被和陆地以及海洋和内陆水等特定表面高程Level-3a产品。随着数据算法的完善以及数据量的积累，后续还将发布旨在提供各种地表类型高程变化的Level-3b格网化产品。各类数据产品见图3。在ICESat-2任务期间，卫星以偏离参考轨道方向1.8°(最大)，非星下点指向方式运行，这将进一步改善中纬度地区的跨轨方向的空间采样。通过构建一个全球覆盖的格网，使赤道地区跨轨方向的分辨率优于2km。在监测内陆水位和海平面变化方面，将充分发挥其高分辨率、高精度的优势，提供高分辨率的内陆湖泊河流水量变化，以及海面高、坡度和粗糙度等特性。此外，通过联合Cryosat-2可以获得覆盖陆地和海冰的表面雪的厚度。由于激光从雪表面上反射，而微波雷达则从底层的冰面上反射，结合这两颗卫星的测量结果可以将雪与冰分开。在南极洲，浮冰高达近2m，可以加强对冰层厚度变化的测量。近期NASA和ESA两家机构正在讨论是否改变Cryosat-2的轨道以产生与ICESat-2更多的重叠观测。
图3 ICESat-2数据产品示意图
四、ICESat-2应用研究进展
⒈冰盖监测
ICESat-2的主要任务目标之一为监测极地冰盖高程变化，评估驱动这些变化的机制，改进当前冰盖消融预测模型，量化冰盖消融对海平面上升的贡献，这对于理解和适应全球气候变化十分重要。
在ICESat-2当前发布产品中，ATL03和ATL06均可以用于建立冰盖高程变化时间序列。ATL03作为3级应用产品的上层数据，能够提供更为密集的原始观测结果，产生的多余观测保证了冰盖高程变化时间序列的稳健性。ATL06产品算法能够更准确地预测冰盖表面高程变化，捕获到空间尺度小于50m的变化信息，同时保留了沿轨道表面坡度信息，为表面高程观测提供精确改正。冰盖高程变化率的测定精度每年优于或等于0.4cm/yr。在晴朗的天气条件下，非相关误差在0.1m左右。因此，在冰川外流区域小于100km2的尺度上，ICESat-2监测冰川高程变化的准确度优于或等于0.25m/a。利用GPS测量对ICESat-2产品进行绝对校准，评估结果表明，ATL03数据偏差为＋3.8cm，而ATL06偏差为＋0.4cm。ICESat-2所提供的高精度、高空间分辨率的观测结果，将极大地改进对起伏较大冰面和冰盖边缘地区的观测精度，为极地冰盖质量变化研究提供前所未有的机遇。
通过精确的ICESat重复轨迹能够测量冰盖接地线的位置和变化。但由于两个激光器过早损坏，使得接地线的监测时间间隔较大，在某些年份仅有少量观测。利用ICESat-2能够以更高的空间和时间分辨率捕获南极和格陵兰冰盖接地线的动态变化。每3个月ICESat-2对接地线进行一次观测，有利于确定季节冰盖横向边界范围以及冰流排出位置，并且也有助于研究冰架和基岩之间暖流对冰融化的作用机制。
⒉海冰测量
根据目前卫星观测数据，2019年北极海冰范围将会达到有记录以来的第二低水平，北极海冰范围、厚度和密集度呈现出逐年下降趋势。相比北极海冰消退，在过去相当长的时间内，南极海冰整体变化趋势并不明朗。这是由于南极海冰主要是季节性海冰，夏季仅在南极威德尔海留存较小的一部分，除此之外，南极海冰比北极海冰平均厚度更薄，温度更高，流动性更强。这些特性降低了遥感技术捕获其变化的能力。南北极海冰在地理位置上的差异使得大气，海冰和海洋的相互作用机制相差很大，气候模型对这种差异的捕获能力又不足。而气候变化对两极冰盖的影响很大，模拟自然变化和人为强迫对冰消融趋势的贡献并不完全一致。最新研究表明，在过去几十年里，南极海冰的连续增长已经被最近3年(2014～2017年)的迅速消融所抵消，造成南极海冰变化趋势突然逆转的原因目前尚不清楚。海冰的消融不仅对海洋垂直结构、对流变化、温盐环流造成影响，而且由于海冰表面高的反照率，海冰的减少对海洋—冰—大气系统的复杂反馈作用会对其周围生态系统构成严重威胁，甚至会给全球气候变化带来深远的影响。因此改进现有观测技术为探究今后海冰变化和构建预测模型，提供精度高、可靠性强的观测是当前亟需解决的问题。
ICESat-2的地面足迹直径仅为17m，沿轨道方向的间隔为70cm。比于ICESat 70m的足迹直径和167m沿轨道间隔，ICESat-2 观测的空间分辨率得到了显著的提高，在空间覆盖上是ICESat的9倍。同时，最近研究表明ICESat-2在平坦海冰表面的高程观测精度大约为2cm。对于海冰监测，ICESat-2所具备的高分辨率和高精度观测能力，可以精确确定海冰间水道处的局部海平面，对于确定海冰干舷和海冰厚度估计至关重要，见图4。
图4 ICESat-2观测海冰示意图
当前发布的海冰高程(ATL07)和海冰干舷(ATL10)均为海冰应用产品。其中，ATL07产品中将每150个混合返回光子作为一个观测段。观测段对应的实际表面距离会随地面反射光子数变化，利用不同表面反射特性不同，在海冰表面返回更多光子，能够充分发挥ICESat-2对狭窄海冰的捕获能力。ATL10中包含的海冰干舷高与ATL07中每段海冰高程观测记录相对应，因此，这对海冰干舷的计算也同样重要。利用ICESat-2对北极海冰变化进行监测(2018.10～2019.3)，结果表明ICESat-2能提供高精度、高空间分辨率的海冰变化，并能很好探究季节海冰和多年海冰的变化，为研究海冰表面降雪的累积、再分布以及海冰热力学和动力学提供重要支撑。
ICESat-2在海冰监测方面，存在广阔应用前景。海冰范围和厚度的减少会增加北极风暴潮的频率和幅度，对北极海域的海况和生态环境提出了新的挑战。而且海冰的减少，有利于北极航道的开发，同时北极能源的探测与开采正在上升为相关国家的战略目标，增加的北极季节性的船舶活动，需要为航行提供安全的航线保障。这些都要求对海冰状况提供高精度监测和近实时的预警。此外，泛南极海冰与北极海冰特征存在显著差异。ICESat-2提供的前所未有的高分辨率、高精度的海冰监测，对于研究和理解南极海冰状况和海洋—冰—大气能量交换机制有着重要意义。
⒊内陆水观测
内陆水作为水文循环的重要组成部分，与人类生产生活、局部乃至全球的气候系统的变化密切相关。特别是在干旱和半干旱地区，监测内陆水变化对于区域水资源管理极为重要。高精度、高分辨率的ICESat-2有能力对全球横向跨度大于3km的内陆水体进行观测，并且随着纬度的升高，产生的观测越密集，特别是对位于中高纬度地区的内陆水体的监测更为有利。高分辨率的内陆水位观测，有利于预警和应对洪涝、干旱等极端自然灾害，提高对水资源现状的认识，为决策者制定政策提供可靠的理论依据。
前期MABEL观测表明，在天气晴朗的条件下，对于沿轨距离长度每100m的内陆湖泊和水库高程观测，其精度大约为5～7cm。为了实际检验ICESat-2在内陆湖泊激光测高结果的精度和可靠性，选择太湖作为研究对象，见图5。
图5 太湖区域Cryosat-2和ICESat-2地面轨迹示意图
首先，筛选研究期间内经过太湖水面的测高数据，通过Landsat8影像提取了高精度的水体边界线，向边界线内做5km的缓冲边界，仅保留缓冲边界到湖心范围内的测高数据。对Cryosat-2 SARIn L1b数据进行波形重构，并加入各项地球物理改正。由于ICESat-2 ATL13数据已经经过物理改正，数据处理需要根据观测质量剔除质量较差的数据。最后需要剔除水位观测中的异常值。对观测结果以2.5倍标准差进行循环迭代，误差范围内的数据被认为是有效观测。
联合2018年10月～2019年5月期间的Cryosat-2 SARIn L1b数据和ICESat-2 ATL13数据建立太湖水位短时间序列，并利用实测水位数据进行对比验证。结果见图6。
图6 太湖水位短时间序列(2018.10～2019.5)示意图
在重叠观测期间内，ICESat-2平均单条卫星轨迹观测误差为1.5cm，而Cryosat-2平均单条卫星轨迹观测误差是5cm左右。同时，对有效观测个数进行统计，在剔除异常数据之后，ICESat-2的有效观测个数为24888，而Cryosat-2的有效观测个数为1181。Cryosat-2和ICESat-2在太湖观测的均方根误差分别为8.4cm和3.2cm。
ICESat-2在内陆水位监测上，相比于微波测高卫星Cryosat-2在观测精度上具有明显优势。由于冬季湖泊河流冻结以及积雪的存在，会使Cryosat-2等微波雷达的观测结果中引入穿透误差，而ICESat-2卫星ATLAS荷载发射激光遇到积雪或冰面即反射，因此，ICESat-2同时可以为微波雷达在冬季内陆水体观测提供穿透改正。ICESat-2激光测高不同于微波测高卫星脉冲能穿透云层，内陆水体观测结果，主要受大气状况和水体地理位置的影响。
⒋地形和树冠高测量
在ICESat-2运行的前两年内，沿轨道采样间距为70cm，赤道上跨轨间距＜2km。密集的数据采样允许构建从区域到全球尺度高精度、高分辨率的地形和树冠高模型。
利用芬兰植被区的ATL08产品观测数据与高分辨率的机载雷达数据进行验证，结果表明ATL08产品在上述地区水平准确度为5m，小于6.5m的任务要求。地形和树冠高垂直均方根误差分别是0.85m和3.2m。受不同地表类型的影响，地形起伏越大，地形和树冠高反演结果精度就会降低。利用目前发布的ATL08版本001数据进行实际的校准和验证，有助于在下一版本数据中，在植被稀疏地区准确反演得到冠层高、植被密集地区的精确地形，准确地区分背景噪声和发射返回的光子信号、精细评估云层对反演结果的影响等方面将会得到进一步改进和完善。
由于对植被结构和树冠高等认识的不足，导致全球碳储量的估算存在明显的不确定性。尽管机载雷达能够提供测距不确定性在1～9m范围的树冠高观测结果(取决于植被类型)，但这也仅限于小尺度区域研究。对在大尺度高精度的植被动态监测上，ICESat-2具有明显的优势。高脉冲重复频率，较小的足迹尺寸使得ICESat-2相比于ICESat有了很大的改进，即使在地形起伏较大的地区也具备从地面反射信号中提取植被反射信号的潜力。利用返回光子的密度和垂直分布不仅可以推断有关森林生物量、冠层体积、建立地形模型，而且有助于动植物栖息地建模、探索生物多样性和提供陆地气候模型参数信息，加深对当前生态环境的认识。
⒌其他应用
由于岩浆抬升会引起火山周围地形和地表高程变化，并且许多火山灾害都是随着周围的地形变化而发生，因此对活火山周围的地形变化监测非常重要。联合ICESat-2与多源遥感数据可用于发现火山活动信息，诸如：评估何时可能发生喷发、喷发的类型以及高温火山灰和有毒气体如何扩散等。这些信息对于防止生命和财产的灾难性损害十分必要。
当今多数森林野火的发生是由于人类向森林扩张、植被的改变和气候变化。2019年旱季，亚马孙雨林发生数千起野火，是2018年的3倍多，并且呈现逐年递增的趋势。森林野火的频发对人类生命财产造成严重损害，影响空气质量，增加山体滑坡等地质灾害，造成生态系统功能的退化。ICESat-2数据提供关于现有植被的结构和分布信息，以及影响野火蔓延的地形信息。可以用来更好地模拟野火的强度和蔓延趋势，对预防野火的发生和监测火势动向具有重要价值。
另外，在ICESat-2发射前实施的MABEL项目中，研究人员利用在米德湖的数据进行验证分析时发现：对于表面均匀且干净的水体，通过分析几百米或更长的机载雷达沿线观测距离，可以获得穿透水体并返回的光子。这一实例表明目前在轨运行的ICESat-2具备测量水深的潜力。后续的验证分析也证明了这一点。MABEL光子测高数据与Landsat影像结合，推导出水深和水储量变化曲线，均方根误差分别为1.56m和0.08km3。对ICESat-2在轨初期数据进行水与空气分界面的折射改正，与高精度机载地形测深激光雷达数据进行比较，在格网分辨率为1m的空间尺度上，两者的均方根误差为0.43～0.60m，最大观测深度为38m。基于ICESat-2的水深测量将填补全球近海岸水深测量空白，提供全球大量湖泊和水库水深观测结果，有助于减少航道测量，以及近海岸海底地形实际勘测花费的人力、物力和财力，提高我们对内陆湖泊和水库三维动态变化的认识。
五、结束语
作为ICESat的后继卫星，ICESat-2激光测高任务的重点在于精确量化冰盖消融对全球海平面上升的贡献，监测海冰变化，提供三维地表信息，测量植被冠层高度用以估算全球生物总量。目前，在上述应用方向上，ICESat-2初步产品基本满足任务要求。另外，在火山与地质灾害监测、森林野火的预防和模拟、内陆水和近海岸水体测深、冰山的监测和追踪、鸟类栖息地建模等方向展现出巨大潜力。
ICESat-2当前数据处理算法是在前期模拟数据的基础上进行开发的，通过对在轨运行数据质量进行检验和评估以及对卫星参数和数据处理算法的完善和优化，将会进一步提高ICESat-2的观测精度。同时，ICESat-2观测数据与多源观测数据进行融合，能够产生更高空间和时间分辨率的结果，将会提升我们对当前气候变化及其驱动机制的认识。鉴于ICESat-2高精度和高空间分辨率的出色表现，在未来连续运行期间，将会给诸多领域的科学研究带来前所未有的机遇。除此之外，ICESat-2所提供的高精度和高分辨率观测的意义，不仅限于加深我们对当前气候环境变化等的理解，而且利用这些高精度的数据资料，建立更为可靠的预测模型，能更好地帮助科学家预测未来气候变化趋势及其影响，为人类适应和减缓气候变化以及自身的可持续发展提供决策依据。
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END
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【作者简介】文/安德笼 杨进 武永斌 马旭辉 陶德龙 史红岭，分别来自河南省铁路勘测设计有限公司、河南省基础地理信息中心、河南省遥感测绘院、河南省地矿局第一地质环境调查院和中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室；第一作者安德笼，男，1975年出生，河南方城人，高级工程师，主要从事卫星大地测量研究；本文为基金项目，国家自然科学基金(41874093，41744085，41574073)；本文来自《海洋测绘》（2019年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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