美国GEDI天基激光测高系统及其应用
2019-01-28谢栋平李国元赵严铭杨雄丹唐新明付安民
谢栋平 李国元 赵严铭 杨雄丹 唐新明 付安民
(1 辽宁工程技术大学 2 国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心 3 国家林业和草原局调查规划设计院)
1 引言
星载激光测高具备主动获取全球地表及目标三维信息的能力,能为快速获取包括境外地区在内的三维控制点以及立体测图提供服务,同时在极地冰盖测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量以及全球气候监测等方面都可以发挥重要作用。
美国分别于2003年和2018年发射了世界上第一颗激光测高卫星ICESat-1和ICESat-2外,还于2018年12月5日(当地时间)发射全球生态系统动力学调查雷达(GEDI),GEDI搭载了全球首台用于高分辨率森林垂直结构测量的多波束线性体制的激光测高仪,主要用于热带和温带地区的森林冠层高度、垂直结构、地面高程等的精准测量。
2 GEDI任务介绍和发射情况
GEDI在2014年被美国国家航空航天局(NASA)选中执行地球风险投资工具(EVI)任务,成本为9400万美元,任务周期为2年,覆盖范围是南纬51.6°到北纬51.6°。在此期间,GEDI预计将进行约100亿次无云观测。这些数据将由GEDI科学团队处理,其中,第一批数据将在发射6个月后发布。
任务意义
GEDI量化了地球植被中的生物量,从而量化了植被中的碳储量,并估算了土地利用和气候变化产生的碳通量。由此,可以计算在未来气候和土地利用情景下森林的碳汇潜力。
通过利用GEDI提供的植被垂直结构信息,可以表征大量生物的栖息地质量。如此一来,GEDI不仅可以解决有关植被碳汇估算的问题,还可以通过垂直结构测量指导改善栖息地质量,最终实现生物多样性的保护。
沿轨返回能量显示植被的垂直分布
GEDI欲解决的三大科学问题是:①森林的碳平衡是什么?②未来地表如何减轻大气中的二氧化碳浓度?③森林结构如何影响栖息地质量和生物多样性?相应地,其四大科学目标是:①量化植被中地上碳储量的分布;②量化植被扰动和恢复对碳储量的影响;③量化现有和新建/再生林在未来封存碳的潜力;④量化栖息地结构的时空分布及其对栖息地质量和生物多样性的影响。
此外,GEDI数据可用于支持减少森林砍伐和森林退化导致的温室气体排放(REDD+)和“生物多样性公约”等政府间政策举措,以及民间社会团体为减缓气候变化、可持续土地利用和生物多样性保护战略提供信息的努力。
发射情况
GEDI已于2018年12月5日(当地时间)在卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心,由猎鹰-9运载火箭随着SpaceX公司第16次商业补给任务发射升空。该载荷将通过国际空间站的机械臂安装到日本实验舱-裸露设施(JEM-EF)。
国际空间站(上)、装有GEDI(金色高亮显示)的JEM-EF(下)
3 GEDI激光测高系统及产品分级
仪器概述
GEDI包含3个相同的近红外掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)激光器,以242Hz脉冲重频率,10mJ的能量,向地面发射波长1064nm的短脉冲激光(14ns)。发射激光的光束发散角为56mrad,其中两个激光器为全功率,一个激光器被分成两个光束,共产生四个光束。光束偏转单元(BDUs)通过改变1.5mrad的激光束指向,实现激光光斑在地面上快速移动600m,最终产生八个地面轨迹。GEDI大光斑激光轨迹总幅宽4.2km,沿轨间距60m,垂轨间距600m,光斑平均大小为25m。
GEDI模拟激光雷达波形及其光斑对应区域树的分布图
GEDI仪器激光、光路、探测器和数字化仪
GEDI地面采样模式
相关技术
GEDI激光经地面、植被和云层反射,被其望远镜接收。在激光光子被导向检测器后,将光亮转换为电压,并以1ns间隔记录为时间函数。然后再将其乘以光速转换为距离函数。
在GEDI模拟激光雷达波形及其光斑对应区域树的分布图中,图左为GEDI激光雷达模拟波形,浅棕色部分表示冠层返回能量,深褐色部分表示地形返回能量,黑线是累积返回能量,从地面到冠层,依次标准化为0到1。其中,相对高度(RH)表示相对于地面达到某个百分位数返回能量的高度。图右为图左波形对应的植被结构分布。
结合GPS定位信息与星敏感器姿态信息,可以计算得出GEDI波形对应地面位置,水平精度为9m。从GEDI波形中,可以提取出四种类型结构信息:地貌、冠层高度、冠层覆盖面积和垂直结构。经过优化,GEDI可进行全球热带和温带的森林垂直结构测量。其足印大小设计比较合理,既可以测量整棵树,同时也可以在陡峭地形中准确探测地面。
数据产品
GEDI数据产品包括表征地球三维特征的足印和格网数据集。原始数据由戈达德太空飞行中心GEDI任务操作中心(MOC)负责采集,经科学运营中心(SOC)处理后,分发至NASA陆地过程分布式数据档案中心(LPDAAC)以及美国国立橡树岭实验所分布式活动档案中心(ORNL DAAC)。根据数据处理阶段的不同,GEDI产品划分为四个级别。1级产品即定位波形;2级产品即足印级冠层高度和剖面度量;3级产品即格网冠层高度及其变化;4A和4B级产品即足印以及格网地上碳估计。其中,初级产品(L1和L2)由LPDAAC生产,高级产品(L3和L4)由ORNL DAAC生产。
在算法理论基础文档(ATBD)中有用于创建这些数据产品的物理理论、数学过程和模型假设。这些文档为用户理解和使用GEDI数据产品提供了必要的背景知识。
产品级别划分及算法理论基础文档
协作者共享数据集
数据产品算法校准和验证
检校与精度验证
GEDI采用位于全世界公开的野外实地观测和机载数据集来研究推导校正方程,用于预测GEDI观测区域的地上生物量。经过GEDI科学定义团队(SDT)模拟器,模拟类似GEDI的波形及相关衍生指标,从而校准生物量方程,其中田间生物量值作为参考数据。
NASA陆地植被和冰传感器(LVIS)在GEDI激光雷达波形模拟器和数据产品算法的校准和验证中发挥着关键作用。LVIS沿着GEDI地面轨道部署,用于评估GEDI 1级到4级数据产品的质量。LVIS、机载激光扫描(ALS)和地面激光扫描(TLS)数据均可用于模拟GEDI波形和校准生物量方程。
4 GEDI数据应用前景
森林管理及碳循环
GEDI即将获得的数十亿次森林垂直结构观测数据,分析研究可获得相应的生物量及碳汇估算,从而加强对火灾、碳循环的认识和管控,以及对濒危、受威胁物种的保护和管理。
(1) 濒危物种保护
GEDI对植被冠层垂直结构的观测数据可用于识别受威胁及濒危物种所在森林;GEDI对森林内气候梯度及干扰强度的测量有助于我们对栖息地质量、动物多样性和濒危物种模式的理解;GEDI数据与光学雷达图像融合可为每年数百次生物多样性和栖息地利用研究增加重要的垂直维度数据。通过与民间组织的协调,GEDI 可确定优先保护区,实现对濒危物种的保护与管理。
(2)火灾建模
GEDI可直接测得与燃料相关的植被结构,获得景观中可用燃料的数量及分布,从而预防火灾。现阶段GEDI已推导出部分与冠层燃料有关的指标,对于地面以及近地面燃料指标数据的推导,GEDI需要进一步改进其相关算法及技术。在植被景观燃料分布波形图中,图左表示地表到植被为梯形燃料;图右表示地面及冠层燃料之间存在间隔,故火灾从地面蔓延到冠层的可能性较小。
地形和地面形变测量
GEDI获得的大量激光测高数据能作为高精度高程控制点,有效改进数字高程模型的精度,并能作为地面高程变化测量的参考。之前美国发射的ICESat卫星的激光测高数据已被广泛用于验证和量化由立体摄影测量和雷达数据构建的区域和全球数字高程模型(DEM)中的误差,并被用作地面控制点以显著提高InSAR生成的DEM精度。此外,星载激光测高数据还能用于消除大尺度下系统高程偏差以及植被覆盖等对雷达系统引起的误差。与ICESat和ICESat-2相比,在南纬51.6°至北纬51.6°的范围内,GEDI获得的精确地面高程数据将在采样密度方面有显著改善,能有效构成地面控制点的重要数据集基础,以验证和校正全球和区域DEM,并作为地面高程变化的参考。
植被景观燃料分布波形图
水资源调查
GEDI激光测高观测可以对地球表面和沿海水域以及温带冰川进行前所未有的测量,收集的高程观测数据可用于全球地表水监测。GEDI数据的多轨、高分辨率以及沿轨采样特性,使其特别适合于河流坡度测量。
在国际空间站轨道阻碍GEDI观测极地陆地冰情形下,GEDI多波束大足印的特点使其可观测到最易受影响且消耗特别大的亚极地陆地冰,包括亚洲高山和巴塔哥尼亚冰川和冰盖,以帮助我们了解它们的现状和未来变化。同样地,亚极陆地积雪是一种重要的水资源,GEDI地面高程测量有助于验证和绘制这种积雪图。根据轨道覆盖范围,GEDI还能在热带和温带区域对海陆连接处进行大量的高精度高程测量,可用于控制和改善沿海数字高程模型,对于海平面上升、潮汐洪水和风暴潮以及量化飓风危险区域模拟等都有重要的研究和应用价值。
美国新罕布什尔州Hubbard Brook实验林生物量估算
GEDI合作项目应用
GEDI项目中有一些与包括德国航天局(DLR)及美国NASA陆地卫星计划Landsat在内其他组织的合作事项。
GEDI激光雷达空间采样与TanDEM-X连续测图功能相结合,可获得更高分辨率以及更高精度的高程和生物量估计。
GEDI与Landsat植被变化图融合,可获得植被高度的高空间分辨率估计和地上碳储量在1年至5年时间尺度的变化。此外,GEDI森林结构观测结果与Landsat森林面积和森林干扰估算相结合,可获得目前由森林砍伐所导致的碳排放量最准确估计。
5 总结
美国的GEDI任务是全球首个对热带和温带森林植被三维垂直结构和地形进行多波束高分辨率测量的天基激光测高系统,从根本上提高人类对森林生物量、碳和水循环过程和生物多样性保护等方面的认识和研究能力。该任务应用前景十分广阔,也将会在国际全球气候变化研究的科学界产生重要的影响。