基于机载LiDAR与自交叉点的ICESat-2/ATLAS七年地理定位性能与时间稳定性综合评估——以中国东疆为例

《Science of Remote Sensing》：Comprehensive Assessment of ICESat-2/ATLAS Geolocation Performance and Temporal Stability During 2019–2025 over Eastern Xinjiang, China

　　

研究人员对ICESat-2/ATLAS（Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2/Advanced Topographic Laser Altimeter System，冰、云和陆地高程卫星二号/先进地形激光测高系统）地理定位性能与时间稳定性进行综合评估。七年ICESat-2观测揭示长期地理定位稳定性；机载LiDAR（Light Detection and Ranging，激光雷达）和自交叉点（self-crossover）支持互补评估；七年期间水平地理定位误差为3.98 m；ICESat-2以2.2 cm的平均偏差实现高高程精度；长期高程漂移保持在2.3 mm/yr以下。

研究背景与问题：星载光子计数激光测高可为冰冻圈、生物圈、水圈和 terrestrial topography（陆地地形）研究提供高密度点云观测。ICESat-2/ATLAS（Ice, Cloud, and Land Elevation Satellite-2/Advanced Topographic Laser Altimeter System，冰、云和陆地高程卫星二号/先进地形激光测高系统）原设计目标为厘米级高程精度和米级水平精度，但长期在轨运行中太阳—轨道几何变化可产生热机械应力，引起地理定位相关部件随时间失配，导致精度波动或退化，因此需持续标定与评估。既往验证多集中于有限时段、有限区域或单一精度维度；水平地理定位研究多侧重系统偏差估计与补偿，交叉点高程研究多侧重相对测量一致性，尚缺乏同时考虑绝对水平地理定位精度、光斑间水平一致性、绝对高程精度和长期相对高程稳定性的综合评估。为此，研究人员整合机载LiDAR（Light Detection and Ranging，激光雷达）参考数据与ICESat-2自交叉点观测，对2019—2025年中国东疆戈壁地区七年观测进行综合评估，以刻画ATLAS长期几何性能。研究结论表明ICESat-2在七年观测中保持稳定水平与高程地理定位性能，为多时相高精度应用提供独立证据，具有重要意义。

关键技术方法与样本队列来源：样本队列来源为中国东疆约160,000 km²研究区，ICESat-2数据为2019年1月12日至2025年12月10日、Cycles 02–29共28个重复周期，20条RGT与2019年5月获取的约25,000 km²机载LiDAR（点密度约2.3 pts/m²，水平与垂直精度分别优于0.3 m和0.05 m）重叠。方法包括：ATL02/ATL03/ATL08数据筛选与裸地地面光子提取；脉冲级代表高程估计和孤立光子质量检查；基于机载LiDAR地形匹配（terrain matching）估计绝对水平地理定位误差；利用自交叉点估计光斑间相对水平偏移和周期相对高程偏差；采用稳健加权最小二乘与Huber权重估计相对偏移；以ME、MAE和RMSE评价精度。

研究结果：4.1 绝对水平地理定位精度。通过机载LiDAR地形匹配对2445个GT估计地理定位误差，六光斑分别含415、400、413、399、415和403个GT，平均时间分辨率约6.3天；地形高程约766—1784 m，匹配剖面地形起伏约80—680 m，高程残差面具明显极小值。多数GT水平误差小于6 m；Spot 5和Spot 6误差最小且年际波动最弱，Spot 1和Spot 2较大；Spot 1、4、5、6变化率小于0.1 m/yr，Spot 2和Spot 3分别为0.38 m/yr和0.17 m/yr。Spot 2指向相关误差最大，roll与pitch联合误差为1.32 ± 0.72″，水平误差3.18 ± 1.73 m；Spot 5最好，联合指向误差小于1″，水平误差2.08 ± 1.03 m；六光斑水平误差相差约0.2—1.8 m，但均低于6.5 m任务要求。总体水平地理定位误差为3.98 m（mean + 1σ），与Luthcke et al.（2021）和Schenk et al.（2022）长期评估分别相差约0.50 m和0.68 m，表明七年整体水平地理定位性能稳定。4.2 光斑间相对水平偏移。通过自交叉点观测估计相对水平偏移，Spot 1和Spot 2偏移分布最分散并呈西北—东南方向聚集，Spot 5和Spot 6更紧凑；强—弱光斑对1/2、3/4、5/6分布及主导方向相似，说明相对水平偏移主要受几何相关误差控制，而非强弱能量差异。相对偏移均值约2.06—3.11 m，光斑对1/2较大、3/4次之、5/6最小，且统计量与绝对水平误差接近，表明六光斑总体水平一致性较好但光斑相关误差特征仍可检测。4.3 绝对高程测量精度。基于原始未水平改正ICESat-2观测与机载LiDAR参考比较，2019—2025年GT平均高程误差多处于±0.1 m内，未随与参考历元时间间隔增加而系统增减，年误差分布较稳定。各光斑平均高程偏差仅1.7—2.8 cm，总体平均偏差2.2 cm；总体中位高程差4.3 cm，与Brunt et al.（2019b）的4.0 cm和Li et al.（2021）的4.3 cm一致。较大1σ源于ATL03单光子高程差统计中的单光子测距变异性、局部地表粗糙度与微地形、残余光子分类不确定性及相对机载LiDAR参考的空间代表性差异，不表示系统高程性能退化。4.4 相对高程偏差的时间漂移。通过交叉点观测计算周期间相对高程偏差，多数周期对集中于±0.04 m，少数约±0.05—0.07 m；Cycle 26相对多个周期呈正偏，表现为局地异常，可能与该周期系统状态或观测条件短时扰动有关，但未见持续累积，更像偶发偏移而非长期漂移。年波动振幅约±0.02 m；不同时间窗口长期线性漂移估计为0.8—2.6 mm/yr，且均不显著（p>0.05），表明水平误差改正前表观长期趋势尚不能可靠区别于相对高程偏差的时间变异性。

讨论部分总结：5.1 水平地理定位误差方向一致性分析表明，同一RGT内六光斑误差向量方向一致性总体较弱；394条六光斑均有效RGT中，低一致性304条、中一致性84条、高一致性仅6条，说明水平误差并非所有光斑共享的统一系统偏移，而是共同误差、光斑相关误差和随机误差的综合效应。5.2 时序地表变化对绝对高程验证的影响分析选取2019—2025每年均有效的117个RGT–Spot组合，年残差相对2019年5月参考呈轻微负趋势（-2.70 mm/yr，r=-0.81，p=0.03），但空间不均，81个组合负趋势、36个正趋势；2019—2025土地覆盖无广泛转换且仍以裸地为主，故长期模式不能仅归因于均匀地表高程变化，小负趋势可能反映局地地表变化、ICESat-2测量时序变化和其他残余误差的综合影响。5.3 水平误差改正对高程漂移估计的影响表明，改正后部分周期对相对高程偏差减小、大偏差空间连续性减弱、不同时间窗口漂移估计变化，说明水平地理定位误差传播会影响长期高程漂移定量估计；但年波动和Cycle 26正偏仍存在，不能完全归因于水平误差。C2–C13、C2–C17、C2–C21和C2–C25漂移为0.3—1.8 mm/yr且不显著（p>0.05）；完整C2–C29记录漂移为2.32 mm/yr（p=0.04），呈小但统计显著的长期趋势，与Magruder et al.（2025b）基于海面观测的长期高程稳定性量级相当。5.4 地形坡度和土地覆盖对交叉点差异的影响表明，交叉点高程差异随坡度增大而扩展，<5°区域主要集中于0 m附近；研究区96.4%交叉点位于坡度小于5°区域，坡度影响有限。裸地和建成区误差分布更集中，植被和水体更分散；长期漂移分析仅保留裸地交叉点，占全部交叉点99.7%以上，以降低外部地表变化影响。5.5 样本量和空间覆盖对相对高程偏差的影响表明，周期对交叉点数为64—1173，中位574；交叉点数与相对高程偏差绝对值无显著线性关系（Pearson r=0.01，p=0.82）。以25 km × 25 km网格定义至少50%周期对覆盖的共同空间域后，保留约80.8%交叉点且406个周期对仍全部有代表，重算结果与原结果高度一致（r=0.97，p<0.001），平均绝对差3.3 mm、RMSE 4.6 mm，说明样本量和空间覆盖不是整体时间变化的主导因素。

研究结论翻译：通过整合机载LiDAR参考数据与ICESat-2自交叉点观测，本研究系统评价了2019—2025年ICESat-2/ATLAS长期地理定位精度与时间稳定性。主要结论为：（1）ICESat-2在七年观测期内保持稳定绝对水平地理定位性能，总体水平地理定位误差为3.98 m（mean + 1σ），满足6.5 m任务要求；尽管六光斑存在差异，时间变异性总体有限，未见随任务时长增加而明显退化。（2）相对水平偏移呈明显光斑对依赖性，而非所有光斑共享的统一位移模式；其量级与方向特征表明水平地理定位误差受共同分量、光斑相关分量和随机变化共同影响。（3）绝对高程性能在观测期内保持稳定，六光斑总体平均偏差仅2.2 cm；光斑间差异小且无明显系统时间趋势，表明长期在轨运行中高程测量精度持续稳定。（4）ICESat-2在重复周期间具有高内部高程一致性，相对高程偏差时间波动小，估计长期漂移低于2.3 mm/yr，远低于4 mm/yr任务要求，进一步确认高程测量长期稳定性。总体而言，本研究首次提供综合且独立的证据，表明ICESat-2/ATLAS在七年在轨运行中保持稳定水平与高程地理定位性能；机载LiDAR参考数据与自交叉点的互补使用为评价长期星载激光测高数据质量提供了稳健基础。研究同时指出，本评估基于以稳定裸地为主的单一干旱区，可能限制全球代表性，未来应扩展至更广地理区域和更多样地形与地表类型以检验普适性。