幾種典型高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)

1、幾種典型高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)121 IKONOS衛(wèi)星系統(tǒng)1 基本情況 IKONOS是空間成像公司(Space Imaging)為滿足高解析度和高精度空間信息獲取而設計制造，是全球首顆高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星。IKONOS-1于1999年4月27日發(fā)射失敗，同年9月24日，IKONOS-2發(fā)射成功，緊接著于10月12日成功接收到第一幅影像。IKONOS衛(wèi)星由洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)制造，重1600lb，由Athena II火箭于加利福尼亞州的范登堡空軍基地發(fā)射成功，衛(wèi)星設計壽命為7年。它采用太陽同步軌道，軌道傾角98.1º，平均飛行高度681km，軌道周期98

2、.3min，通過赤道的當?shù)貢r間為上午10:30，在地面上空平均飛行速度為6.79km/s，衛(wèi)星平臺自身高1.8m，直徑1.6m。IKONOS衛(wèi)星的傳感器系統(tǒng)由美國伊斯曼柯達公司(Eastman Kodak)研制，包括一個1m分辨率的全色傳感器和一個4m分辨率的多光譜傳感器，其中的全色傳感器由13816個CCD單元以線陣列排成，CCD單元的物理尺寸為12m x 12m，多光譜傳感器分四個波段，每個波段由3454個CCD單元組成。傳感器光學系統(tǒng)的等效焦距為10m，視場角(FOV)為0.931º，因此當衛(wèi)星在681km的高度飛行時，其星下點的地面分辨率在全色波段最高可達0.82m，多光譜可

3、達3.28m，掃描寬度約為11km。傳感器可傾斜至26º立體成像，平均地面分辨率1m左右，此時掃描寬度約為13km。IKONOS的多光譜波段與Landsat TM的14波段大體相同，并且全部波段都具有11位的動態(tài)范圍，從而使其影像包含更加豐富的信息。IKONOS衛(wèi)星載有高性能的GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺。GPS數(shù)據(jù)經過后處理可提供較精確的星歷信息；恒星跟蹤儀用以高精度確定衛(wèi)星的姿態(tài)，其采樣頻率低；激光陀螺則可高頻地測量成像期間衛(wèi)星的姿態(tài)變化，短期內有很高的精度。恒星跟蹤數(shù)據(jù)與激光陀螺數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波能提供成像期間衛(wèi)星較精確的姿態(tài)信息。GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺提供的

4、較高精度的軌道星歷和姿態(tài)信息，保證了在沒有地面控制的情況下，IKONOS衛(wèi)星影像也能達到較高的地理定位精度。2 成像原理 與Landsat和SPOT-4衛(wèi)星相比，IKONOS衛(wèi)星的成像方式更加靈活，其傳感器系統(tǒng)采用獨特的機械設計，可以十分靈活地以任意方位角成像，偏離正底點的擺動角甚至可達到60º。IKONOS衛(wèi)星360º的照準能力使其既可側擺成像以獲取異軌立體或縮短重訪周期，也可通過沿軌道方向的前后擺動同軌立體成像，具有推掃、橫掃成像能力。IKONOS衛(wèi)星能獲取同軌立體影像。當衛(wèi)星接近目標時，傳感器光學系統(tǒng)先沿著軌道向前傾斜，照準目標區(qū)域并采集第一幅影像，接著控制系統(tǒng)操縱傳

5、感器向后擺動，大約100s后再次照準目標區(qū)并采集第二幅影像，如圖11所示。由于IKONOS衛(wèi)星利用單線陣CCD傳感器，通過光學系統(tǒng)的前后擺動實現(xiàn)同軌立體成像。因此，相應的立體覆蓋是不連續(xù)的。3 CARTERRATM 系列產品簡介 在Space Imaging最新發(fā)布的IKONOS影像產品白皮書中，根據(jù)CE90(Circular Error at 90% Probability)及LE90(Liner Error at 90% Probability)的大小將IKONOS CARTERRA產品分為五級，分別稱為Geo、Reference、Pro、Precision和Precision Plus，

6、如表1.4所示。表1.4 IKONOS衛(wèi)星各級產品的基本信息產品類型定位精度正射糾正采集角度構成立體CE90RMSNMASGeo<=50mN/AN/A否60º-90º否Reference<=25.4m<=11.8m1:50000是60º-90º是Pro<=10.2m<=4.8m1:12000是66º-90º否Precision<=4.1m<=1.9m1:4800是(GCP)72º-90º是Precision Plus<=2m<=0.9m1:2400是(GCP)7

7、5º-90º否 (1)簡單幾何糾正產品。 a) CARTERRATM Geo產品：IKONOS的Geo級產品包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像以及融合后的1m分辨率的彩色影像，適用于宏觀觀察和判讀。Geo級產品經過簡單幾何糾正，消除了影像采集引起的幾何誤差，并將影像按照統(tǒng)一的地面采樣間隔(GSD)和給定的地圖投影方式重采樣。Geo產品沒有消除地形起伏造成的影像移位，能達到的定位精度有限。不含地形起伏影響的Geo產品標稱精度為50m CE90，不適合測圖。 b) CARTERRATM Geo Ortho Kit產品：2001年6月，Space Imaging發(fā)布

8、了Geo Ortho Kit產品，它是Geo產品的一個分支，適用于專業(yè)用戶。Geo Ortho Kit產品包括Geo級影像及相應的傳感器成像幾何模型(Image Geometry Model-IGM，即RPC模型)，依據(jù)IGM用戶可以利用DEM和地面控制點自己制作高精度的正射影像。 (2)正射糾正產品。正射糾正是為了消除地形起伏引起的誤差。IKONOS經正射糾正后的影像包括Reference、Pro、Precision和Precision plus。 a) CARTERRATM Reference產品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和融合后的1m分辨率的彩色影像，適用于大面積

9、測圖以及需要1:5000比例尺正射影像的工程項目。它經過正射糾正和鑲嵌，定位精度可達25m CE90。 b) CARTERRATM Pro產品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和1m分辨率彩色影像，適用于無法獲取控制點或地面控制昂貴、困難時，需要高空間分辨率、中等比例尺定位精度正射影像的工程項目。Pro級產品的定位精度可達10mCE90，是無地面控制條件下生成的最高精度的正射產品，能提供全球1:12000(NMAS)比例尺的正射影像。 c) CARTERRATM Precision產品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和1m分辨率彩色影像。Precision級產

10、品的精度相當于比例尺為1:4800(NMAS)地形圖的定位精度，適用于大面積、大比例尺城區(qū)規(guī)劃工程項目。Precision級影像采集時傳感器高度角一般在72d以上，要達到其標稱的4m CE90的定位精度，用戶需要向Space Imaging提供1m精度的地面控制點和5m精度的DEM。 d) CARTERRATM Precision Plus產品：只包括lm分辨率全色影像和1m分辨率彩色影像。Precision Plus產品是Space Imaging提供的最精確的IKONOS影像產品，能提供大多數(shù)城市規(guī)劃項目所需的精度，定位精度最高可達2m CE90。Precision Plus產品的生成同樣

11、需要向Space Imaging提供高精度的地面控制點和高質量的DEM。 (3)立體影像產品。IKONOS的立體影像產品僅有1m分辨率的Reference和Precision兩種級別。Space Imaging提供給用戶的IKONOS立體影像產品還附帶傳感器模型的有理多項式函數(shù)系數(shù)文件(RPC)，RPC文件提供地面點空間交會、DEM提取和正射糾正等攝影測量處理所需的傳感器模型參數(shù)。IKONOS立體影像產品一般都經過核線重采樣。 a)Reference級立體產品：該產品生成僅利用了星載GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺提供的軌道星歷、衛(wèi)星姿態(tài)以及焦平面的視場角映射(Field Angle Map

12、FAM)信息。不需要地面控制點，Reference級立體產品能達到25m CE90的平面精度和22m LE90的高程精度，也稱為標準立體產品。 b)Precision級立體產品：利用少量地面控制點消除系統(tǒng)性誤差，Precision級立體產品可達到4mCE90的平面精度和5mLE90的高程精度，也稱為精確立體產品。 (4)產品選項。 影像的位深度(灰度級)8位或11位。 影像格式單像采用GeoTIFF或未壓縮NTIF 2.0格式；立體影像采用TIFF格式(核線投影)或GeoTIFF格式(地圖投影)。 投影方式UTM，國家平面投影，亞爾勃斯等面積圓錐投影，蘭伯特等角圓錐投影，橫墨卡托投影。 基準面

13、或參考橢球WGS84，NAD83，NAD27。 分發(fā)媒介CD-ROM，DVD，硬盤，Internet。122 QuickBird衛(wèi)星系統(tǒng) QuickBird衛(wèi)星(快鳥衛(wèi)星)由Ball航天技術公司(Ball Aerospace & Technologies)、柯達公司(Eastman Kodak)和Fokker空間公司(Fokker Space)聯(lián)合研制，由數(shù)字地球公司(Digital Globe)運營，是目前世界上空間分辨率最高的商用衛(wèi)星。早在1997年12月24日，地球觀測公司(EarthWatch，DigitalGlobe公司的前身)就用俄羅斯START-1運載火箭發(fā)射了Early

14、Bird衛(wèi)星，但衛(wèi)星在入軌4天后失蹤；3年以后，在2000年11月20日地球觀測公司又發(fā)射了QuickBird-1衛(wèi)星，仍采用俄羅斯的運載火箭發(fā)射，但衛(wèi)星未入軌而宣告失?。?年后地球觀測公司改名為數(shù)字地球公司，并于2001年10月18日改用美國波音公司Delta II型運載火箭發(fā)射QuickBird-2衛(wèi)星獲得成功?，F(xiàn)在我們所稱的QuickBird衛(wèi)星即是指QuickBird-2星。1QuickBird的基本參數(shù)QuickBird衛(wèi)星是為高效、精確、大范圍地獲取地面高清晰度影像而設計制造的。在當前運營和即將發(fā)射的商業(yè)遙感衛(wèi)星中，QuickBird衛(wèi)星能提供最大的條帶寬度、最大的在線存儲容量和最

15、高的地面分辨率。衛(wèi)星基本參數(shù)如表15所示。表15 QuickBird衛(wèi)星有關參數(shù)發(fā)射日期2001年10月18日發(fā)射裝置波音Delta II運載火箭發(fā)射地加利福尼亞范登堡空軍基地軌道高度450km軌道傾角97.2º飛行速度7.1km/s降交點時刻上午10:30軌道周期93.5min條帶寬度垂直成像時為16.5km x 16.5km平面精度23cm(CE90)動態(tài)范圍11位空間分辨率全色：61cm(星下點)；多光譜：2.44m(星下點)光譜響應范圍全色：450900nmB：450520nm； G：520600nmR：630690nm； NIR：760nm900nm 與IKONOS衛(wèi)星類似

16、，QuickBird衛(wèi)星也具有推掃、橫掃成像能力，可以獲取同軌立體或異軌立體，但一般情況下通過推掃獲取同軌立體，立體影像的基高比在0.62.0之間，但絕大多數(shù)情況下位于0.91.2范圍內，適合三維信息提取。根據(jù)緯度的不同，衛(wèi)星的重訪周期在13.5d之間。垂直攝影時，QuickBird衛(wèi)星影像的條帶寬為16.5km，比IKONOS寬60%，當傳感器擺動30º時，條帶寬約19km。 與Space Imaging公司銷售IKONOS衛(wèi)星影像的策略不同，DigitalGlobe公司同時提供嚴密傳感器模型和有理多項式系數(shù)模型來處理QuickBird衛(wèi)星影像，以滿足不同用戶的需要。嚴密傳感器模型

17、是依據(jù)傳感器的成像幾何關系，利用成像瞬間地面點、透視中心和相應像點三點共線的幾何關系建立的數(shù)學模型，是攝影測量學最常采用的成像模型，具有最高的定位精度，但形式較為復雜。嚴密模型所需的傳感器成像參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道星歷保存在影像支持數(shù)據(jù)(Image Support DataISD)文件中。RPC模型是對嚴密傳感器模型的擬合，它直接提供了地面坐標同像點坐標之間的映射關系，理想情況下也能達到跟嚴密模型相當?shù)亩ㄎ痪取?QuickBird影像產品 根據(jù)處理程度和定位精度的不同，DigitalGlobe將QuickBird衛(wèi)星影像分為五級，如表16所示，其中Ortho自定義級產品的定位精度依賴于用戶提供

18、的地面控制點和DEM的精度。 (1)Basic級影像產品。Basic級產品只經過輻射校正和傳感器扭曲校正，消除了傳感器光學畸變、掃描畸變、掃描速率不均勻引起的影像變形，沒有進行幾何糾正和地圖投影，是最原始的影像產品，適合專業(yè)的攝影測量處理。利用提供的影像支持數(shù)據(jù)和DEM，Basic級影像能達到14m的平面精度(RMSE，相當于23m CE90)，其中不包括成像幾何和地形起伏的影響。表16 QuickBird影像產品及其定位精度產品級別處理形式定位精度覆蓋范圍CE90/mRMSE/mBasic級原始影像2314全球Standard級幾何糾正2314全球Ortho 1:25000級正射糾正12.7

19、7.7全球Ortho 1:12000級正射糾正10.26.2美國本土Ortho 1:4800級正射糾正4.12.5美國本土Ortho自定義級正射糾正可變可變全球 用戶可以采用RPC模型和嚴格傳感器模型對Basic級影像進行正射糾正，利用高質量的DEM和亞米級精度的地面控制點，QuickBird嚴格傳感器模型能達到RMSE 25m的定位精度，RPC模型能達到RMSE 36m的定位精度。 Basic級全色影像的分辨率在0.61m(星下點)到0.72m(傾斜25º)之間，多光譜影像的分辨率在2.44m(星下點)到2.88m(傾斜25º)之間。每景Basic全色影像為27424行、

20、27552列，多光譜影像為6856行、6888列，覆蓋面積約272km2。 (2)Standard級影像產品。Standard級影像產品經過輻射校正、傳感器畸變校正、幾何校正，消除了平臺定位和姿態(tài)誤差、地球自轉、地球曲率等造成的影像變形，并進行了地圖投影。Standard產品包括分辨率為0.6m或0.7m的全色、真彩色或全色銳化影像以及分辨率為2.4m或2.8m的多光譜影像。 Standard級產品具體可分為兩類： a)Standard產品：利用粗DEM消除了地形起伏(相對于參考橢球)生成的產品。Standard影像的平均定位精度是23m CE90，其中不包括地形起伏和側視成像的影響。 b)O

21、rtho Ready Standard產品：沒有消除地形起伏的影響，適合進行正射糾正。Ortho Ready Standard產品的定位精度為23m CE90，其中不包括地形起伏和傳感器側視成像的影響。如果利用高質量的DEM、亞米級精度的地面控制點和RPC參數(shù)進行處理，可以達到RMSE 310m的定位精度。 (3)正射糾正產品。正射糾正產品經過了輻射校正、傳感器校正、幾何校正和正射糾正，并投影到指定的基準面上。正射糾正產品包括有分辨率為0.6m或0.7m的全色、真彩色或全色銳化影像以及分辨率為2.4m或2.8m的多光譜影像。 正射糾正產品需要DEM和地面控制點來消除地形起伏影響。當生成1:25

22、000、1:12000和1:4800比例尺的正射影像時，所需的DEM和地面控制點由DigitalGlobe負責收集；DigitalGlobe也可使用用戶提供的DEM和地面控制點進行正射糾正，生成自定義級正射糾正產品，但DigitalGlobe不保證自定義級正射糾正產品的質量和定位精度。 (4)影像支持數(shù)據(jù)。QuickBird衛(wèi)星的所有影像產品分發(fā)時都附帶有一套元數(shù)據(jù)文件，稱之為影像支持數(shù)據(jù)(Image Support DataISD)，它們包含了影像數(shù)據(jù)必備的輔助說明信息。根據(jù)產品類型的不同，其對應的ISD數(shù)據(jù)內容也不盡相同，如表17所示。表17 QuickBird的影像支持數(shù)據(jù)(ISD)文件

23、文件名稱擴展名Basic級產品Standard級產品正射糾正產品姿態(tài)文件.att星歷文件.eph幾何校正文件.geo元數(shù)據(jù)文件.imdLicense文件.txtReadme文件.txtRPCOOB文件.rpb瓦片映射文件.til 表中各種文件的內容描述詳見DigitalGlobe(2003)。 (5)Basic立體影像產品。Basic立體像對由兩景Basic級影像構成，它們由傳感器沿軌道前后傾斜成像獲取，具有90%的航向重疊，用了提取DEM或三維地物采集。Basic立體影像僅經過輻射校正和傳感器校正，全色影像的分辨率大約0.78m(傾斜30º)，多光譜影像為3.12m(傾斜30

24、86;)。 QuickBird Basic立體影像是同軌采集的前后立體。飛行期間，傳感器首先沿軌道向前傾斜約30º，并采集第一景影像，接著成像系統(tǒng)向后擺動，以約30º的傾斜角采集第二景影像。Basic立體影像的基高比在0.62.0之間，大多數(shù)情況下在0.91.2之間，適用于目標的三維定位。 QuickBird Basic立體影像產品的影像支持文件(ISD)主要包括立體文件(Stereo File)，它包含了立體采集的幾何參數(shù)：交會角(convergence angle)、不對稱角(asymmetry angle)和平分線高度角(bisecter elevation angl

25、eBIE)，它們反映了兩條光線在地向點上交會的幾何關系。交會角是前后兩條光線在交會平面內的夾角；不對稱角是交會角平分線與地面點鉛垂線在交會面上的投影之間的夾角；平分線高度角則是指交會角平分線與水平面之間的夾角。123 SPOT-5衛(wèi)星系統(tǒng) SPOT-5計劃起始于1994年10月，原定于2001年12月發(fā)射，最終在2002年5月4日凌晨1時31分(GMT)，由Ariane 4火箭從圭亞那航天發(fā)射中心將其成功送入太空。它采用傾角98.7º、高822km的太陽同步軌道，重3000kg，當?shù)貢r間10:30左右通過赤道。SPOT-5衛(wèi)星由法國空間局(CNES)設計，與比利時和瑞典合作完成，設計

26、壽命5年，是SPOT系列地球觀測系統(tǒng)的最后一顆衛(wèi)星，性能也最先進。1傳感器系統(tǒng) SPOT-5上除搭載高分辨率幾何成像裝置HRG(High Resolution Geometric，起源于SPOT-4的HRVIR)和植被探測器(VEGETATAION)外，新增了一套高分辨率立體成像裝置HRS(High Resolution Stereoscopic)。 HRG裝置由法國THOMSON公司制造的兩條線陣CCD探測器構成，每條長12000像元，CCD器件的物理尺寸為6.5m x 6.5m，它們安置在同一焦平面上，并在飛行方向和線陣方向上分別交錯半個像元排列。通常情況下，HRG裝置獲取5m分辨率的全色

27、影像，為進一步提高分辨率，HRG采用了一種新的成像模式超級模式(Supermode)，可將地面分辨率提高到2.5m，即所謂的“亞像元”技術。HRG的成像條帶保持以往60km的寬度，長度在60km到80km之間。SPOT-5的傳感器系統(tǒng)還集成了3條多光譜波段(G、R、NIR)和1條短波紅外(SWIR)線陣CCD探測器，能分別獲取10m分辨率的多光譜影像和20m分辨率的短波紅外影像。 SPOT-5在SPOT-1到4號衛(wèi)星的基礎上進一步提高了立體成像能力，可以獲取同軌或異軌立體影像。HRG裝置通過側擺可在不同軌道對同一地區(qū)成像，獲取異軌立體；HRS裝置由前視、后視相機組成，相機的望遠鏡系統(tǒng)在軌道面內

28、前后偏離鉛垂線的夾角均為20º。飛行期間，前視傳感器首先對目標成像，90s后后視相機對該地區(qū)第二次成像，因此HRS裝置在同一軌道上幾乎在同一時刻以同一輻射條件獲取立體影像，避免了由于成像時間差過大引起的影像色調變化，便于后續(xù)的攝影測量處理。HRS裝置的線陣CCD探測器長12000像素，工作在全色波段，影像的分辨率在飛行方向為10m，線陣方向為5m，立體覆蓋面積為600km x 120hn。HRS裝置獲取的同軌立體影像的基高比可達0.84，良好的基高比保證了生成DEM的精度。SPOT-5采用了新的恒星跟蹤儀和定軌裝置DORIS，可以更精確地測定衛(wèi)星位置和姿態(tài)，從而有效地提高了影像的定位精度。2SPOT-5的超級模式 超級模式(Supermode)是SPOT-5特有的影像重采樣技術，它可利用兩幅同時獲取的5m分辨率的全色圖像重采樣得到2.5m分辨率的全色圖像。這項新技術是法國空間局CNES的專利。 重采樣過程包括以下三步： a)內插。兩幅5m分辨率的影像是隔行掃描的，通過內插得到中間行的像素值； b)去卷積。利用HRG裝置的反傳遞函數(shù)構造的