高分辨率地球同步軌道衛(wèi)星凝視成像基本模式研究

王殿中 （北京空間機電研究所）

當前，遙感衛(wèi)星普遍采用太陽同步軌道觀測方式，其中30m分辨率的環(huán)境衛(wèi)星相機采用雙星組網(wǎng)觀測，重復觀測最短周期需要2天，米級/亞米級分辨率商業(yè)衛(wèi)星即使采用多星組網(wǎng)觀測，多數(shù)情況下重復觀測最短周期也要1天左右。然而，由于地球同步軌道凝視成像技術實現(xiàn)重復觀測最短周期主要取決于成像時的光電轉換和信號讀出過程，可以以秒計，所以在應對地震、臺風、火情、汛情等諸多緊急事件中，優(yōu)勢極為明顯。據(jù)報道，中國計劃發(fā)射的高分－4衛(wèi)星是地球同步軌道上的光學遙感衛(wèi)星，光學分辨率為50m，將成為現(xiàn)有太陽同步軌道對地觀測體系的重要補充。為了用好該衛(wèi)星，從天地一體充分挖掘遙感圖像信息的角度出發(fā)，現(xiàn)對地球同步軌道衛(wèi)星在軌凝視成像模式有關問題進行分析。

1 在軌工作模式分析

首先，為了充分發(fā)揮高分－4衛(wèi)星所具有的極高時間分辨率的優(yōu)勢，在軌運行應盡可能以凝視方式對目標連續(xù)成像，并確定一種基本成像模式，以使數(shù)據(jù)基準具有連續(xù)性，增加數(shù)據(jù)間的可比性。基本模式的確定需要具體分析載荷特性，對于獲取常規(guī)的全色、多光譜5個譜段數(shù)據(jù)而言，有多種連續(xù)模式可以考慮。為了分析方便，以下假定可見光譜段幀頻為5s，相鄰譜段間切換用時為10s，并用B1～B5分別標記全色、藍、綠、紅和近紅外譜段。

第一種模式是采用單譜段連續(xù)成像，幀頻5s，50m的空間分辨率預計能夠捕捉10m/s以上的快速變化，不涉及頻段切換，光譜信息單一。

第二種模式是采用5譜段循環(huán)模式成像，B1譜段幀頻5s，用時10s切換到B2譜段成像，幀頻5s，再切換，依此類推，全部5個譜段成像1次到復原需要75s，平均幀頻15s，時間分辨率大為降低，捕捉快速變化的能力也相應下降。

第三種模式是采用N次連拍再切換譜段的模式成像，B1譜段幀頻5s，連拍N次用時5N秒，用時10s切換到B2譜段，連拍N次用時5N秒，依此類推，完成1次5個譜段循環(huán)成像復原需要（25N+50）秒，平均幀頻（5+10/N）秒。當N趨近于無窮大時，與第一種模式相同，而當N趨近于1時，與第二種模式相同。可知，第三種模式是第一種模式和第二種模式的折中模式，在保證獲取完整光譜信息的同時可以保持較高的時間分辨率，數(shù)據(jù)獲取效果最好。

2 地面處理潛力分析

從地面處理階段考慮，采用上述模式成像，對于改善圖像質(zhì)量也將有實際的意義。

輻射質(zhì)量提升

太陽同步軌道觀測面臨的一個難題就是為了兼顧云、雪等高亮度目標不飽和，通常要將信號飽和值設置得很高。相應的，地面大量地物被壓縮在圖像灰度值低端，實際獲取的輻射信息極為有限。但如果采用第三種模式，即便原始圖像只采用8bit量化，短時間內(nèi)獲取的N幀圖像經(jīng)過直接疊加，可以合成為（8+log2N）bit圖像，理論上可以將實際獲取圖像動態(tài)范圍提高N倍。但需要說明的是，為了避免量化位數(shù)存在占空現(xiàn)象，log2N最好是整數(shù)，因此N取值范圍應為2、4、8、16…。

5景圖像對比

對應5景圖像統(tǒng)計的動態(tài)范圍和峰值像元數(shù)

改善圖像空間分辨率效果圖

從疊加后的圖像灰度動態(tài)范圍可以看出，其比原始圖像平均灰度動態(tài)范圍提高了3.94倍，接近于理論值4。疊加后峰值像元數(shù)大為減少，從平均35個降低到15個，降幅超過1倍。從像元灰度分布情況來看，像元在各灰度上分布更加均勻。從圖像的目視效果來看，圖像亮度、目標對比度均明顯增強，圖像輻射質(zhì)量得到顯著改善。

幾何質(zhì)量提升

增加采樣數(shù)對于改善圖像空間分辨率同樣具有重要意義。已有研究表明，連續(xù)成像的多幀圖像之間會存在微小錯位，從這些差異信息中可以反推出更多細節(jié)信息，空間分辨率最多可以提高1倍。因此，分辨率為50m的衛(wèi)星圖像經(jīng)過處理，理論上可以達到25m分辨率。

從增加可選用數(shù)據(jù)的角度來講，上面提及的N種選擇中：

1）log2N取值為1時，每個譜段成像2次，用時10s，切換用時10s，5個譜段循環(huán)1次合計用時50s，數(shù)據(jù)量2G。每個譜段由于只有2次成像，僅能滿足超分處理輸入圖像數(shù)量的最低要求，支撐分辨率提升的信息偏少。

2）log2N取值為2時，每個譜段成像4次，用時20s，切換用時10s，5個譜段循環(huán)1次合計用時150s，數(shù)據(jù)量4G。

3）log2N取值為3時，每個譜段成像8次，用時40s，切換用時10s，5個譜段循環(huán)1次合計用時250s，數(shù)據(jù)量8G。與已知的高分－2衛(wèi)星融合圖像數(shù)據(jù)量（6G）相當，對應用于處理環(huán)節(jié)的軟硬件要求提高不多。

4）log2N取值為4或4以上時，1個周期內(nèi)每譜段成像數(shù)量大大增加，但各譜段間成像時間間隔將超過1min，對于短時間應急觀測而言，觀測對象空間移位現(xiàn)象可能已經(jīng)比較顯著，不利于譜段間融合分析。

3 總結和建議

綜上所述，從天地一體充分挖掘遙感圖像信息的角度出發(fā)，建議地球同步軌道衛(wèi)星凝視成像采用5譜段間循環(huán)4連拍或8連拍作為基本觀測模式，不僅在數(shù)據(jù)獲取階段可以實現(xiàn)高時間分辨率與多光譜觀測的較好結合，還具有改善圖像輻射質(zhì)量與幾何質(zhì)量的潛力，可以為地面處理技術發(fā)展提供新的機會，綜合最優(yōu)。