苏坤
天津市测绘院天津300381
摘要:高分辨率遥感测绘卫星作为支撑我国国土测绘和未来地理国情监测的重要基础,是国家对地观测系统中不可或缺的组成部分针对当前我国高分辨率遥感卫星测绘发展的迫切需求,结合国内外高分辨率遥感卫星，本文总结和分析了提高卫星测绘精度的关键技术,为我国高分辨率遥感卫星测绘应用技术发展提供参考。
关键词:高分辨率遥感卫星：观测系统：卫星测绘技术
1引言
为了提高我国自主对地观测信息获取的能力,高分辨率对地观测系统重大专项已被列入国务院《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的16个重大专项中的一项,是我国未来科技发展的重中之重。国产高分辨率遥感卫星及其测绘技术的发展是数字中国地理空间框架和信息化测绘体系的重要保障,是高分国土测绘以及国家基础地理信息持续稳定更新的必要手段。从过去有控制测图,发展到稀少控制点测图甚至无控制测图,从单机测图发展到协同无缝测图;测图精度从满足1:250000地形图制图发展到满足1:500甚至更高比例尺的地形图制图;测绘应用范围从限于本国到全球共享,从单一的测绘产品生产扩展为全球各行业地理信息的获取与更新等。这些进步都是卫星测绘技术发展的必然结果。因此,有必要结合国内外卫星测绘应用情况,对卫星测绘的关键技术进行分析和总结。
2阐述高分辨率遥感卫星测绘关键技术
根据不同的应用需求,目前已发展的高分辨率遥感卫星的种类日益增多。从传感器功能上分,主要有高分辨率光学立体测图卫星、干涉雷达卫星、激光测高卫星等几种。其中高分辨率光学立体测图卫星是当前国土测绘应用的主要数据来源,因此,本文着重针对高分辨率光学传感器卫星(以下称为“高分遥感卫星,’)进行分析和论述。对于高分遥感卫星而言,卫星立体测图精度包括无地面控制测图精度是评价其性能的重要技术指标。影响卫星测图精度的因素很多,基于摄影测量的原理可知,主要包括摄影基线误差、姿态角误差、像点量测误差以及相机内部参数如主距、畸变的误差等〔胡萃等,2008]。这些误差除了与传感器自身因素有关外,还涉及星上GPS定位系统、姿态测量与控制系统、时统以及相机有效载荷系统等。下面将针对光学传感器卫星,分别从传感器研制与设计、精密定姿、精密定轨、几何标定、立体测图等关键技术入手,总结和分析现有国内外高分遥感卫星测绘技术的发展与现状。
2.1传感器研制与设计
传感器技术是影响卫星测图精度的重要因素。卫星传感器分辨率和精度决定了地形图测图比例尺,人对纸质地图的目视分辨率通常在0.07一0.1mm左右,也就是说,地形图测图要求卫星遥感影像的分辨率一般应达到或小于图上0.1,而地形图的更新至少也应要求遥感影像的分辨率达到图上0.2mm。此外,卫星多线阵相机倾角设计、卫星的扫描模式等直接关系着卫星摄影基线大小,同样是影响测图精度的重要因素之一。下面从这两个方面,简要介绍一下国内外卫星的发展。
2.1.1传感器分辨率
随着传感器研制技术的发展,空间分辨率越来越高,如表1所示。法国SPOT一4卫星全色和多光谱波段地面分辨率分别为10m和20m,在SPOT1-4的基础上发展的双线阵立体测图卫星SPOT5,全色影像在沿轨进一步提高到5m。近年来,美国商业卫星传感器的分辨率总体上不断提高,1999年发射的IKONOS-2全色和多光谱分辨率分别为1m和4m。
2001年由美国数字全球(DigitalGlobe)公司发射的QuickBird-2卫星星下点全色和多光谱分辨率达到了o.61m和2.44m。Orbview-3、4卫星全色影像的地面像元分辨率为1m,多光谱影像地面像元分辨率为4m。GcoEye系列卫星是IKONOS和OrbView-3的下一代卫星。OrbView-1卫星于2008年发射升空,卫星全色分辨率达到0.41m、四个波段的多光谱空间分辨率为1.64m,是目前世界上分辨率和定位精度最高的商业卫星。
2.1.2相机倾角设计与扫描模式
根据各国卫星发展水平以及地面应用不同需求,基于卫星平台的传感器(相机)安装排列又有不同的设计。按照传感器线阵数量可分为单线阵传感器和多线阵传感器,下面简述它们各自技术特点。
①单线阵传感器
为了获取立体影像,单线阵CCD传感器卫星一般采用轨道回归或左右侧摆成像,即同轨立体成像方式和异轨立而像方式。目前比较典型的单线阵卫星有法国的SPOT1-4,美国的IKONOS-2、QuickBird-2、Orbview-3、4,GeoEye-1,韩国的KOMPSAT-1、2,以色列EROS、加拿大RaPidEye等。美国一直很重视商业高分辨率遥感卫星发展。目前在轨运行的IKONOS-2卫星采取相机作前、后或左、右摆动摄影。卫星采集立体影像方式多为同轨采集,只需设定好摄像头偏转角度既可获取全区域的立体像对,可以获得良好的基高比。
②多线阵传感器
ALOS是由日本研制并发射在轨的陆地观测卫星,是三线阵卫星的代表。该卫星装载三个遥感器:高分辨率三线阵全色相机PRISM、多光谱相机AVNIR-2、适用于有云及全天候的雷达遥感器。立体测绘全色遥感器PRISM是目前世界上公开的最先进的三线阵CCD测绘相机,三台相机交会角为24°,基高比为1,达到立体测图最佳基高比值。
2.2高精度姿态测量
姿态作为摄影测量外方位角元素,其测量精度对测图精度影响很大。在不考虑其他误差的情况下,假设DEM已知,利用投影光线与DEM相交获取卫星影像对应的地面坐标。对于轨道高度为600km的卫星,1角秒的姿态误差引起地面定位误差达到3m左右。由此可见,姿态测量误差是影响卫星测图精度的重要因素。目前,为了提高高分遥感卫星的姿态稳定度和测量精度,卫星上一般装有高精度三轴姿态稳定系统。国外高分辨率卫星大多将恒星敏感器(以下简称星敏)和陀螺组合作为主要的定姿器件。其中,星敏用于获取卫星的绝对惯性姿态,它具有测量精度最高、视场指向不受限制不受到偏差和漂移的影响等优点。陀螺获取卫星的惯性姿态角速度,具有更新频率快等特点。为了提高三轴姿态精度以及相互备份,卫星上一般装有多个星敏和陀螺。
3结语
我国卫星测绘遥感事业经过30多年的发展虽己初具规模,但总体上,与国家发展的需求、国际技术前沿相比,依然有较大的差距。主要体现在传感器研制技术方面存在代差,测绘卫星的技术和手段比较落后,对辐射和几何的精度的定量化分析和评价缺乏能力,还没有构建规模化、高可靠性、高处理精度的业务系统,现有卫星资料的应用率低下。因此,必须加紧攻关卫星测绘关键技术,包括高精度测绘相机的制造和测试技术、星敏感器/陀螺姿态精密测定技术、基于GPS/SLR的卫星轨道精密测定技术、卫星实时和事后的高精度几何辐射定标技术等等,以逐步形成独立自主的天地一体化完整的技术体系,确保国产卫星满足实时地理国情的动态监测、全球目标定位、1:5000~1：50000地形数据库实时更新以及国土资源动态监测等国家重大战略需求。
参考文献:
[1]胡萃,曹喜滨.三线阵立体测绘卫星的测绘精度分析[J].哈尔滨工业大学学报,2008,40(5):
[2]李德仁,21世纪遥感与Gls的发展[EB/oL][2009一10一Zol