高分辨率地球同步軌道衛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，遙感衛星普遍采用太陽同步軌道觀測方式，其中30m分辨率的環境衛星相機采用雙星組網觀測，重復觀測最短周期需要2天，米級/亞米級分辨率商業衛星即使采用多星組網觀測，多數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，優勢極為明顯。據報道，中國計劃發射的高分－4衛星是地球同步軌道上的光學遙感衛星，光學分辨率為50m，將成為現有太陽同步軌道對地觀測體系的重要補充。為了用好該衛星，從天地一體充分挖掘遙感圖像信息的角度出發，現對地球同步軌道衛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，為了充分發揮高分－4衛星所具有的極高時間分辨率的優勢，在軌運行應盡可能以凝視方式對目標連續成像，并確定一種基本成像模式，以使數據基準具有連續性，增加數據間的可比性。基本模式的確定需要具體分析載荷特性，對于獲取常規的全色、多光譜5個譜段數據而言，有多種連續模式可以考慮。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，數據獲取效果最好。

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，對于改善圖像質量也將有實際的意義。

輻射質量提升

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，短時間內獲取的N幀圖像經過直接疊加，可以合成為（8+log2N）bit圖像，理論上可以將實際獲取圖像動態范圍提高N倍。但需要說明的是，為了避免量化位數存在占空現象，log2N最好是整數，因此N取值范圍應為2、4、8、16…。

5景圖像對比

對應5景圖像統計的動態范圍和峰值像元數

改善圖像空間分辨率效果圖

從疊加后的圖像灰度動態范圍可以看出，其比原始圖像平均灰度動態范圍提高了3.94倍，接近于理論值4。疊加后峰值像元數大為減少，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，圖像輻射質量得到顯著改善。

幾何質量提升

增加采樣數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信息，空間分辨率最多可以提高1倍。因此，分辨率為50m的衛星圖像經過處理，理論上可以達到25m分辨率。

從增加可選用數據的角度來講，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1次合計用時50s，數據量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1次合計用時150s，數據量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1次合計用時250s，數據量8G。與已知的高分－2衛星融合圖像數據量（6G）相當，對應用于處理環節的軟硬件要求提高不多。

4）log2N取值為4或4以上時，1個周期內每譜段成像數量大大增加，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象可能已經比較顯著，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，建議地球同步軌道衛星凝視成像采用5譜段間循環4連拍或8連拍作為基本觀測模式，不僅在數據獲取階段可以實現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量與幾何質量的潛力，可以為地面處理技術發展提供新的機會，綜合最優。