美國GEDI天基激光測(cè)高系統(tǒng)及其應(yīng)用

謝棟平 李國元 趙嚴(yán)銘 楊雄丹 唐新明 付安民

（1 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 2 國家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心 3 國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院）

1 引言

星載激光測(cè)高具備主動(dòng)獲取全球地表及目標(biāo)三維信息的能力，能為快速獲取包括境外地區(qū)在內(nèi)的三維控制點(diǎn)以及立體測(cè)圖提供服務(wù)，同時(shí)在極地冰蓋測(cè)量、植被高度及生物量估測(cè)、云高測(cè)量、海面高度測(cè)量以及全球氣候監(jiān)測(cè)等方面都可以發(fā)揮重要作用。

美國分別于2003年和2018年發(fā)射了世界上第一顆激光測(cè)高衛(wèi)星ICESat－1和ICESat－2外，還于2018年12月5日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）發(fā)射全球生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)調(diào)查雷達(dá)（GEDI），GEDI搭載了全球首臺(tái)用于高分辨率森林垂直結(jié)構(gòu)測(cè)量的多波束線性體制的激光測(cè)高儀，主要用于熱帶和溫帶地區(qū)的森林冠層高度、垂直結(jié)構(gòu)、地面高程等的精準(zhǔn)測(cè)量。

2 GEDI任務(wù)介紹和發(fā)射情況

GEDI在2014年被美國國家航空航天局（NASA）選中執(zhí)行地球風(fēng)險(xiǎn)投資工具（EVI）任務(wù)，成本為9400萬美元，任務(wù)周期為2年，覆蓋范圍是南緯51.6°到北緯51.6°。在此期間，GEDI預(yù)計(jì)將進(jìn)行約100億次無云觀測(cè)。這些數(shù)據(jù)將由GEDI科學(xué)團(tuán)隊(duì)處理，其中，第一批數(shù)據(jù)將在發(fā)射6個(gè)月后發(fā)布。

任務(wù)意義

GEDI量化了地球植被中的生物量，從而量化了植被中的碳儲(chǔ)量，并估算了土地利用和氣候變化產(chǎn)生的碳通量。由此，可以計(jì)算在未來氣候和土地利用情景下森林的碳匯潛力。

通過利用GEDI提供的植被垂直結(jié)構(gòu)信息，可以表征大量生物的棲息地質(zhì)量。如此一來，GEDI不僅可以解決有關(guān)植被碳匯估算的問題，還可以通過垂直結(jié)構(gòu)測(cè)量指導(dǎo)改善棲息地質(zhì)量，最終實(shí)現(xiàn)生物多樣性的保護(hù)。

沿軌返回能量顯示植被的垂直分布

GEDI欲解決的三大科學(xué)問題是：①森林的碳平衡是什么？②未來地表如何減輕大氣中的二氧化碳濃度？③森林結(jié)構(gòu)如何影響棲息地質(zhì)量和生物多樣性？相應(yīng)地，其四大科學(xué)目標(biāo)是：①量化植被中地上碳儲(chǔ)量的分布；②量化植被擾動(dòng)和恢復(fù)對(duì)碳儲(chǔ)量的影響；③量化現(xiàn)有和新建/再生林在未來封存碳的潛力；④量化棲息地結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布及其對(duì)棲息地質(zhì)量和生物多樣性的影響。

此外，GEDI數(shù)據(jù)可用于支持減少森林砍伐和森林退化導(dǎo)致的溫室氣體排放（REDD+）和“生物多樣性公約”等政府間政策舉措，以及民間社會(huì)團(tuán)體為減緩氣候變化、可持續(xù)土地利用和生物多樣性保護(hù)戰(zhàn)略提供信息的努力。

發(fā)射情況

GEDI已于2018年12月5日（當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心，由獵鷹－9運(yùn)載火箭隨著SpaceX公司第16次商業(yè)補(bǔ)給任務(wù)發(fā)射升空。該載荷將通過國際空間站的機(jī)械臂安裝到日本實(shí)驗(yàn)艙-裸露設(shè)施（JEM-EF）。

國際空間站（上）、裝有GEDI（金色高亮顯示）的JEM-EF（下）

3 GEDI激光測(cè)高系統(tǒng)及產(chǎn)品分級(jí)

儀器概述

GEDI包含3個(gè)相同的近紅外摻釹釔鋁石榴石（Nd：YAG）激光器，以242Hz脈沖重頻率，10mJ的能量，向地面發(fā)射波長(zhǎng)1064nm的短脈沖激光（14ns）。發(fā)射激光的光束發(fā)散角為56mrad，其中兩個(gè)激光器為全功率，一個(gè)激光器被分成兩個(gè)光束，共產(chǎn)生四個(gè)光束。光束偏轉(zhuǎn)單元（BDUs）通過改變1.5mrad的激光束指向，實(shí)現(xiàn)激光光斑在地面上快速移動(dòng)600m，最終產(chǎn)生八個(gè)地面軌跡。GEDI大光斑激光軌跡總幅寬4.2km，沿軌間距60m，垂軌間距600m，光斑平均大小為25m。

GEDI模擬激光雷達(dá)波形及其光斑對(duì)應(yīng)區(qū)域樹的分布圖

GEDI儀器激光、光路、探測(cè)器和數(shù)字化儀

GEDI地面采樣模式

相關(guān)技術(shù)

GEDI激光經(jīng)地面、植被和云層反射，被其望遠(yuǎn)鏡接收。在激光光子被導(dǎo)向檢測(cè)器后，將光亮轉(zhuǎn)換為電壓，并以1ns間隔記錄為時(shí)間函數(shù)。然后再將其乘以光速轉(zhuǎn)換為距離函數(shù)。

在GEDI模擬激光雷達(dá)波形及其光斑對(duì)應(yīng)區(qū)域樹的分布圖中，圖左為GEDI激光雷達(dá)模擬波形，淺棕色部分表示冠層返回能量，深褐色部分表示地形返回能量，黑線是累積返回能量，從地面到冠層，依次標(biāo)準(zhǔn)化為0到1。其中，相對(duì)高度（RH）表示相對(duì)于地面達(dá)到某個(gè)百分位數(shù)返回能量的高度。圖右為圖左波形對(duì)應(yīng)的植被結(jié)構(gòu)分布。

結(jié)合GPS定位信息與星敏感器姿態(tài)信息，可以計(jì)算得出GEDI波形對(duì)應(yīng)地面位置，水平精度為9m。從GEDI波形中，可以提取出四種類型結(jié)構(gòu)信息：地貌、冠層高度、冠層覆蓋面積和垂直結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)化，GEDI可進(jìn)行全球熱帶和溫帶的森林垂直結(jié)構(gòu)測(cè)量。其足印大小設(shè)計(jì)比較合理，既可以測(cè)量整棵樹，同時(shí)也可以在陡峭地形中準(zhǔn)確探測(cè)地面。

數(shù)據(jù)產(chǎn)品

GEDI數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括表征地球三維特征的足印和格網(wǎng)數(shù)據(jù)集。原始數(shù)據(jù)由戈達(dá)德太空飛行中心GEDI任務(wù)操作中心（MOC）負(fù)責(zé)采集，經(jīng)科學(xué)運(yùn)營中心（SOC）處理后，分發(fā)至NASA陸地過程分布式數(shù)據(jù)檔案中心（LPDAAC）以及美國國立橡樹嶺實(shí)驗(yàn)所分布式活動(dòng)檔案中心（ORNL DAAC）。根據(jù)數(shù)據(jù)處理階段的不同，GEDI產(chǎn)品劃分為四個(gè)級(jí)別。1級(jí)產(chǎn)品即定位波形；2級(jí)產(chǎn)品即足印級(jí)冠層高度和剖面度量；3級(jí)產(chǎn)品即格網(wǎng)冠層高度及其變化；4A和4B級(jí)產(chǎn)品即足印以及格網(wǎng)地上碳估計(jì)。其中，初級(jí)產(chǎn)品（L1和L2）由LPDAAC生產(chǎn)，高級(jí)產(chǎn)品（L3和L4）由ORNL DAAC生產(chǎn)。

在算法理論基礎(chǔ)文檔（ATBD）中有用于創(chuàng)建這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品的物理理論、數(shù)學(xué)過程和模型假設(shè)。這些文檔為用戶理解和使用GEDI數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供了必要的背景知識(shí)。

產(chǎn)品級(jí)別劃分及算法理論基礎(chǔ)文檔

協(xié)作者共享數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)產(chǎn)品算法校準(zhǔn)和驗(yàn)證

檢校與精度驗(yàn)證

GEDI采用位于全世界公開的野外實(shí)地觀測(cè)和機(jī)載數(shù)據(jù)集來研究推導(dǎo)校正方程，用于預(yù)測(cè)GEDI觀測(cè)區(qū)域的地上生物量。經(jīng)過GEDI科學(xué)定義團(tuán)隊(duì)（SDT）模擬器，模擬類似GEDI的波形及相關(guān)衍生指標(biāo)，從而校準(zhǔn)生物量方程，其中田間生物量值作為參考數(shù)據(jù)。

NASA陸地植被和冰傳感器（LVIS）在GEDI激光雷達(dá)波形模擬器和數(shù)據(jù)產(chǎn)品算法的校準(zhǔn)和驗(yàn)證中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LVIS沿著GEDI地面軌道部署，用于評(píng)估GEDI 1級(jí)到4級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。LVIS、機(jī)載激光掃描（ALS）和地面激光掃描（TLS）數(shù)據(jù)均可用于模擬GEDI波形和校準(zhǔn)生物量方程。

4 GEDI數(shù)據(jù)應(yīng)用前景

森林管理及碳循環(huán)

GEDI即將獲得的數(shù)十億次森林垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究可獲得相應(yīng)的生物量及碳匯估算，從而加強(qiáng)對(duì)火災(zāi)、碳循環(huán)的認(rèn)識(shí)和管控，以及對(duì)瀕危、受威脅物種的保護(hù)和管理。

（1） 瀕危物種保護(hù)

GEDI對(duì)植被冠層垂直結(jié)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于識(shí)別受威脅及瀕危物種所在森林；GEDI對(duì)森林內(nèi)氣候梯度及干擾強(qiáng)度的測(cè)量有助于我們對(duì)棲息地質(zhì)量、動(dòng)物多樣性和瀕危物種模式的理解；GEDI數(shù)據(jù)與光學(xué)雷達(dá)圖像融合可為每年數(shù)百次生物多樣性和棲息地利用研究增加重要的垂直維度數(shù)據(jù)。通過與民間組織的協(xié)調(diào)，GEDI 可確定優(yōu)先保護(hù)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瀕危物種的保護(hù)與管理。

（2）火災(zāi)建模

GEDI可直接測(cè)得與燃料相關(guān)的植被結(jié)構(gòu)，獲得景觀中可用燃料的數(shù)量及分布，從而預(yù)防火災(zāi)?，F(xiàn)階段GEDI已推導(dǎo)出部分與冠層燃料有關(guān)的指標(biāo)，對(duì)于地面以及近地面燃料指標(biāo)數(shù)據(jù)的推導(dǎo)，GEDI需要進(jìn)一步改進(jìn)其相關(guān)算法及技術(shù)。在植被景觀燃料分布波形圖中，圖左表示地表到植被為梯形燃料；圖右表示地面及冠層燃料之間存在間隔，故火災(zāi)從地面蔓延到冠層的可能性較小。

地形和地面形變測(cè)量

GEDI獲得的大量激光測(cè)高數(shù)據(jù)能作為高精度高程控制點(diǎn)，有效改進(jìn)數(shù)字高程模型的精度，并能作為地面高程變化測(cè)量的參考。之前美國發(fā)射的ICESat衛(wèi)星的激光測(cè)高數(shù)據(jù)已被廣泛用于驗(yàn)證和量化由立體攝影測(cè)量和雷達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建的區(qū)域和全球數(shù)字高程模型（DEM）中的誤差，并被用作地面控制點(diǎn)以顯著提高InSAR生成的DEM精度。此外，星載激光測(cè)高數(shù)據(jù)還能用于消除大尺度下系統(tǒng)高程偏差以及植被覆蓋等對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)引起的誤差。與ICESat和ICESat－2相比，在南緯51.6°至北緯51.6°的范圍內(nèi)，GEDI獲得的精確地面高程數(shù)據(jù)將在采樣密度方面有顯著改善，能有效構(gòu)成地面控制點(diǎn)的重要數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)，以驗(yàn)證和校正全球和區(qū)域DEM，并作為地面高程變化的參考。

植被景觀燃料分布波形圖

水資源調(diào)查

GEDI激光測(cè)高觀測(cè)可以對(duì)地球表面和沿海水域以及溫帶冰川進(jìn)行前所未有的測(cè)量，收集的高程觀測(cè)數(shù)據(jù)可用于全球地表水監(jiān)測(cè)。GEDI數(shù)據(jù)的多軌、高分辨率以及沿軌采樣特性，使其特別適合于河流坡度測(cè)量。

在國際空間站軌道阻礙GEDI觀測(cè)極地陸地冰情形下，GEDI多波束大足印的特點(diǎn)使其可觀測(cè)到最易受影響且消耗特別大的亞極地陸地冰，包括亞洲高山和巴塔哥尼亞冰川和冰蓋，以幫助我們了解它們的現(xiàn)狀和未來變化。同樣地，亞極陸地積雪是一種重要的水資源，GEDI地面高程測(cè)量有助于驗(yàn)證和繪制這種積雪圖。根據(jù)軌道覆蓋范圍，GEDI還能在熱帶和溫帶區(qū)域?qū)ｊ戇B接處進(jìn)行大量的高精度高程測(cè)量，可用于控制和改善沿海數(shù)字高程模型，對(duì)于海平面上升、潮汐洪水和風(fēng)暴潮以及量化颶風(fēng)危險(xiǎn)區(qū)域模擬等都有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

美國新罕布什爾州Hubbard Brook實(shí)驗(yàn)林生物量估算

GEDI合作項(xiàng)目應(yīng)用

GEDI項(xiàng)目中有一些與包括德國航天局（DLR）及美國NASA陸地衛(wèi)星計(jì)劃Landsat在內(nèi)其他組織的合作事項(xiàng)。

GEDI激光雷達(dá)空間采樣與TanDEM-X連續(xù)測(cè)圖功能相結(jié)合，可獲得更高分辨率以及更高精度的高程和生物量估計(jì)。

GEDI與Landsat植被變化圖融合，可獲得植被高度的高空間分辨率估計(jì)和地上碳儲(chǔ)量在1年至5年時(shí)間尺度的變化。此外，GEDI森林結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果與Landsat森林面積和森林干擾估算相結(jié)合，可獲得目前由森林砍伐所導(dǎo)致的碳排放量最準(zhǔn)確估計(jì)。

5 總結(jié)

美國的GEDI任務(wù)是全球首個(gè)對(duì)熱帶和溫帶森林植被三維垂直結(jié)構(gòu)和地形進(jìn)行多波束高分辨率測(cè)量的天基激光測(cè)高系統(tǒng)，從根本上提高人類對(duì)森林生物量、碳和水循環(huán)過程和生物多樣性保護(hù)等方面的認(rèn)識(shí)和研究能力。該任務(wù)應(yīng)用前景十分廣闊，也將會(huì)在國際全球氣候變化研究的科學(xué)界產(chǎn)生重要的影響。