我國陸地定量遙感衛星技術發展

曹海翊 高洪濤 趙晨光

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

在遙感技術與應用的雙重驅動下，衛星遙感正從定性走向定量。根據技術實現與數據應用方式的不同，定量遙感主要涉及幾何定量與輻射定量兩個方面。其中：幾何定量重點關注幾何分辨率與定位精度，利用衛星圖像與星上測姿定軌數據，通過天地一體化成像幾何模型，精確測量地表地物幾何特征與位置信息，生成正射地圖、數字高程圖等高精度地理信息產品；輻射定量重點關注光譜范圍、光譜分辨率、輻射分辨率及輻射定標精度等因素，利用各譜段圖像的輻射測量信息計算觀測要素的地物反射率或輻射率特性，并通過數學或物理模型反演各類地物或大氣的特性參數。

定量遙感涉及數據獲取、地面標定、應用處理等天地一體化多個過程[1]，衛星作為圖像數據獲取的核心環節，其技術參數決定了圖像數據的特征和質量，也直接影響最終定量處理精度。文獻[2]中討論了我國高分陸地衛星定量遙感技術體系與應用，內容主要集中于數據處理、標定與應用，衛星技術涉及較少；文獻[3]和文獻[4]中分別對我國氣象衛星和海洋衛星發展及定量應用進行了總結。本文重點對我國陸地定量遙感衛星技術發展情況進行回顧與展望。

1 我國陸地定量遙感衛星技術進步

從1999年發射第1顆傳輸型陸地衛星資源一號以來，我國先后發射10多顆陸地衛星(如表1[5-8]所示)，衛星遙感技術發展迅速，具備可見光、紅外、合成孔徑雷達(SAR)等多手段觀測能力，開發了大、中、小等多個陸地衛星序列，建造了衛星圖像數據地面處理系統，形成了較完整的陸地資源衛星監測體系，衛星圖像數據在國土普查、作物估產、森林調查、地質找礦、環境保護、災害監測、城市規劃等多個領域發揮了重要作用。

1.1 圖像空間分辨率提高到亞米級

圖像空間分辨率決定了衛星圖像對地面目標細節的表征能力，是評價衛星性能和圖像信息的重要指標，也關系著圖像幾何定量應用水平。隨著高分辨率對地觀測重大專項的建設和商業遙感的飛速發展，我國高分辨率陸地光學衛星技術獲得了長足進步。2014年發射的高分二號衛星實現了全色0.8 m/多光譜3.2 m分辨率，標志著我國進入亞米級高分時代；2016年發射的高景一號衛星(01/02星)，進一步將分辨率提高到全色0.5 m/多光譜2 m，達到國際先進水平。2015年，我國發射了靜止軌道高分辨率光學成像衛星高分四號，首次具備了靜止軌道條件下可見光譜段50 m分辨率圖像的獲取能力。此外，2016年發射了高分三號衛星，實現了1 m分辨率多極化SAR成像能力。在高分辨率陸地光學衛星研制過程中，我國突破了大口徑光學系統設計加工檢測與裝調、高穩定光機結構、低噪聲高穩定相機焦平面等載荷研制技術，以及星上微振動測量與抑制、高穩定姿態控制等平臺關鍵技術，使我國遙感載荷、衛星平臺與系統研制能力得到顯著提升。

1.2 圖像幾何定位精度大幅提高

圖像幾何定位精度是決定衛星圖像幾何定量水平的核心指標，涉及姿態確定、軌道確定、相機內方位元素標定、結構穩定性、地面檢校與數據處理等天地一體化多個過程。我國初期發射的陸地衛星受研制條件所限，內部幾何畸變較大(2～3個像元)，姿態測量精度較差(幾十角秒量級)，再加上地面處理方法有限，圖像定位精度多在數百米量級，圖像應用需要人工選取較多控制點，給行業應用帶來較大困難[9]。

2012年，我國發射了首顆民用立體測繪衛星資源三號(01星)。衛星研制過程中攻克了天地一體化圖像定位精度指標體系與模型構建、角秒級衛星姿態確定、高精度時間同步、高穩定一體化構型與結構設計、微米級相機內方位元素標定、衛星圖像高精度地面處理等一系列關鍵技術，首次將我國衛星光學圖像無控制點平面定位精度提高到10米量級，有控制點平面定位精度約3 m(小于1個像元)，達到甚至超過國際同類衛星水平[10-12]，解決了我國陸地光學衛星幾何定位能力不足的瓶頸問題，推動了后續高分二號、高景一號等一批陸地光學衛星圖像定位能力的提升，開啟了我國幾何定量遙感的新時代。

1.3 光學圖像輻射質量提升明顯

光學圖像輻射質量直接影響圖像的主觀判讀結果及各類地物參量的反演精度。早期發射的陸地光學衛星常存在圖像清晰度低、層次感差等問題[13]，隨著國內相機設計水平、相機高精度溫度控制、平臺高穩定控制等技術能力的提高，我國陸地光學衛星圖像輻射質量與在軌穩定性提升明顯。法國阿斯特留姆(Astrium)公司、德國宇航中心(DLR)遙感研究所等多家國外公司和機構對資源三號衛星圖像進行了分析，認為圖像在色彩表現上有很高精度，層次分明，紋理清晰；資源三號衛星圖像優于斯波特-5(SPOT-5)、“先進陸地觀測衛星”(ALOS)等國外同類衛星圖像。我國陸地衛星光學圖像輻射質量的大幅提升，有效促進了衛星遙感在各領域的深入應用。我國部分陸地光學衛星圖像如圖1所示。

圖1 我國陸地光學衛星圖像示例Fig.1 Images of China land optical satellites

1.4 普遍具備多光譜成像能力

多光譜成像能夠提供不同譜段的地物反射信息，提高地表地物分類與識別能力。我國近年發射的陸地衛星均具備全色/多光譜(4譜段)成像能力(如圖2所示)，譜段和光譜覆蓋范圍與國際同類衛星相似，包括1個全色譜段和4個多光譜譜段，可滿足不同業務在地物特征提取、分類、目標識別及主觀評價等方面的應用需求。

“中巴地球資源衛星”裝載了多譜段紅外相機，可獲取從近紅外、短波紅外到長波紅外的寬譜圖像數據，其中：短波紅外主要探測目標為地表及礦產資源；中波、長波紅外可在夜間工作；中波紅外對火災、秸稈焚燒火點等熱源敏感；長波紅外對地面目標熱特性敏感，可用于水體污染、夜間排污、城市熱環境監測及云頂溫度探測等。

環境一號A星配置了高光譜成像儀，光譜范圍450～950 nm，光譜分辨率5 nm，譜段數115；2018年5月發射的高分五號衛星，搭載的高光譜相機覆蓋可見光和短波紅外譜段，具有330個觀測譜段，光譜分辨率最高可達0.03 cm-1，顯著提高了我國陸地衛星的光譜探測能力。高光譜圖像數據提供了豐富的地物光譜信息，可用于地物類型識別，確定物質成分等，在植被生物量估計、礦產調查、精細農業、環境監測等領域具有廣泛應用。

圖2 我國陸地光學衛星譜段設置Fig.2 Spectrum configuration of China land optical satellites

1.5 圖像應用日益廣泛

目前，我國陸地衛星圖像在國內各行業應用日益廣泛，取得了良好的經濟和社會效益。在基礎地理信息行業，我國陸地衛星圖像數據已成為行業應用的主要數據源。例如：資源三號衛星發射4年內共獲取全球高精度圖像7000萬平方千米，為各行業1800多家用戶提供了高精度測繪地理信息服務，直接經濟效益高達23億元人民幣[14]，有效扭轉了國土測繪等典型行業長期依賴國外的被動局面，極大提升了我國陸地衛星圖像的應用水平。在礦產資源調查行業，我國陸地衛星圖像提供了重要成礦帶和重要盆地的綜合成像信息，利用資源一號衛星多光譜數據對西南天山地區鉛鋅礦、金礦和銅礦等找礦有利區進行了定量分析，提取了鐵巖石和線性體的空間分布信息，為礦產開采提供了信息保障[15]。在環境調查與監測行業，利用衛星圖像進行了我國重要經濟區帶的區域環境調查，建成了地質環境監測信息網絡及預警與輔助決策支持系統，利用高分一號衛星數據，在青海、內蒙古、北京等地區開展了自然保護區人類活動干擾、城市固廢與開發區、礦山開發環境破壞等生態環境監測應用示范[16]。在應急觀測行業，開展了重大地質災害破壞情況調查監測、境外重大地質事件應急監測與評估、產能過剩重點地區監控等典型應用，利用我國衛星圖像數據研究并實踐了“天-空-地-現場”一體化災害立體監測體系框架[17]，提升了災害綜合評估的時效性和精度。

在實際應用中，我國陸地衛星光學圖像也暴露出譜段數量少、輻射定標精度不高等問題，影響了其在地物參量定量反演方面的應用，在可反演參量類型、參量反演精度及數據產品標準化等方面均與國外存在較大差距。目前，國內衛星圖像輻射定量應用研究較多依賴中等分辨率成像光譜儀(MODIS)、先進甚高分辨率輻射計(AVHRR)等國外圖像數據，亟需提升我國陸地衛星輻射定量技術與應用能力。

2 我國陸地定量遙感衛星技術展望

隨著我國高分辨率對地觀測重大專項、空間基礎設施等多個重大觀測計劃的落地實施，高分七號、“高分辨率多模綜合成像”、“陸地生態系統碳監測”等衛星將陸續入軌提供服務，進一步推動我國衛星遙感幾何與輻射定量技術水平。

2.1 圖像幾何定位精度持續提升

美國“世界觀測”(WorldView)系列衛星代表了國際光學遙感幾何定量技術的最高水平，其無控制點條件下的圖像定位精度達到2～3 m，國內在軌陸地衛星與之相比尚存在差距。提高陸地衛星的幾何定位精度，關鍵在于提高相機光軸指向測量精度、結構在軌穩定性、導航定位精度等環節。在指向測量方面，國內角秒級星敏感器、高精度陀螺將逐步實現在軌應用，可為相機姿態指向提供高精度原始觀測數據。在結構穩定性方面，樹脂基碳纖維復合材料、C/SiC等低膨脹率材料逐步用于光學相機和星敏感器的支撐結構，為姿態測量基準與成像基準相對指向的穩定性提供了保障；此外，結構熱變形數值分析與結構微變形地面試驗技術發展迅速，為結構熱變形仿真評價與在軌補償提供了技術手段。在導航定軌方面，我國北斗三號導航衛星陸續發射，將提供全球高精度導航定位服務，實現厘米級衛星軌道事后確定精度。上述技術的成熟與應用，將進一步提升我國陸地衛星的幾何定位精度，縮短與國際領先水平的差距。

2.2 激光探測技術在軌應用

激光探測是一種主動遙感手段，從衛星上向地面發射激光脈沖并接收大氣及地物反射的回波信號。其中，回波時刻和信號強度代表了反射物與衛星的距離、反射物截面大小和反射率等特征信息，可反演反射物垂直向空間結構，能夠有效彌補傳統被動光學成像手段在垂直向探測能力的不足(如圖3所示)。國際上激光探測技術在深空探測和對地觀測領域已有較多應用，包括火星軌道高度計(MOLA)、水星激光高度計(MLA)、月球軌道激光高度計(LOLA)，以及地表與氣溶膠探測的地球科學激光高度計系統(GLAS)與偏振云和氣溶膠激光雷達(CALIOP)等。我國在資源三號02星上首次搭載了激光雷達載荷，激光數據高程絕對測量精度達到1 m，可為測繪圖像提供高精度高程控制數據[18]。隨著我國激光器、接收器件等相關技術日臻成熟，激光雷達在探測頻率、信號接收、全波形數據分析等方面取得了較大進展。后續高分七號、“陸地生態系統碳監測”等衛星均配置了激光雷達載荷，衛星發射后將可以極大提升地表地物及大氣的垂直向位置與結構反演能力，提高光學圖像高程精度，為地理測繪、林業調查、碳源碳匯等行業應用提供豐富數據。

2.3 光譜成像技術快速發展

針對光譜數據對地物分類與識別的重要作用，后續部分陸地衛星將配置8個多光譜譜段，在傳統4譜段基礎上增加海岸譜段(0.400～0.450 μm)，以及對植被和土壤類型敏感的黃譜段(0.590～0.625 μm)、紅邊譜段(0.705～0.745 μm)和近紅外譜段(0.860～1.040 μm)，如圖4所示。海岸譜段支持植物鑒定和分析，也支持基于葉綠素和滲水的深海探測研究，由于該譜段對大氣散射較為敏感，還可用于大氣糾正；黃色譜段是重要的植被觀測譜段，可用于探測植被的黃色特征指標，進行植被油氣蝕變制圖，也可用于海面懸浮泥沙、荒漠化的監測；紅邊譜段可用于監測植物健康狀況，紅邊指數在作物發育期內基本呈線性關系，采用紅邊譜段反演植被參數的精度和靈敏度均高于常規多光譜譜段；近紅外譜段較少受大氣影響，支持植物分析與單位面積內生物量研究。8譜段多光譜探測能力將在水體監測、地表分類、作物參數計算、作物養分含量、作物病害或環境監測等方面提升定量反演精度。

在高光譜成像方面，具備高光譜觀測能力的衛星將不斷增加，顯著提高高光譜觀測數據的時效性。另外，光譜分辨能力將進一步提升，特定譜段(如氧氣吸收譜線附近)可達0.3 nm，能獲取更加精細的地物光譜信息，提供光譜曲線、圖像立方體等數據產品，推動衛星圖像數據在地質及礦產資源信息解譯、巖性區分、地物精細識別、土壤信息提取、精準農業等方面發揮重要作用。

2.4 多角度偏振成像技術日益成熟

地表二向反射特征(BRDF)綜合反映了地物的幾何結構與輻射特征，較常規單向光學圖像提供了更為豐富的地表信息。多角度成像通過記錄大氣頂部多個角度入射光的強度與方向(如圖5所示)，獲取同一地區不同方向的輻射圖像，用來計算地表BRDF信息；偏振成像則同時獲取光的強度信息與偏振特性，實現地氣反射光解耦(大面積地表對太陽光漫反射表現為不起偏特性，觀測到的線偏振光可認為主要由大氣散射產生)。多角度偏振成像可用于定量反演森林聚集度指數、覆蓋度、森林類型等參數，預估區域森林植被生物量信息，提高地表地物分類與識別準確度。此外，利用強度反射率和偏振反射率信息，可進一步定量反演氣溶膠光學厚度、細粒子比等大氣參數[19]，對光學圖像進行大氣校正，提升圖像質量。我國“陸地生態系統碳監測”衛星、高分五號衛星均配置了多角度偏振成像儀，能夠提供豐富的多角度偏振信息，提升圖像數據在環境監測、生態保護、碳循環監測等行業中的應用，提高定量處理與應用水平。

圖5 多角度偏振成像原理示意Fig.5 Schematic diagram of multi-angle polarization imaging

2.5 在軌輻射定標方式多樣

輻射定標用于建立光學圖像的灰度值與相應地物反射率的定量對應關系，是輻射定量處理中的關鍵和基礎環節，其標定精度直接影響輻射定量反演精度。隨著輻射定量應用和要求的提高，后續陸地衛星輻射定標將朝著高精度、高頻次、高可靠、低成本、低復雜、新手段等方向發展。通過控制外部環境和內部因素提高定標精度，通過高頻次定標降低遙感器響應波動對定標精度的影響，實現全生命周期高可靠設計，降低定標復雜度，控制定標成本，拓展新型定標手段。輻射定標包括試驗室輻射定標、場地輻射定標、偏航輻射定標、漫反射板絕對輻射定標和對月輻射定標等方式。

(1)試驗室輻射定標主要用于獲取相機在地面的輻射響應特性，一般采用積分球面源近距離方法進行標定，絕對輻射定標精度優于7%，相對輻射定標精度優于3%。

(2)場地輻射定標用于修正由于大氣擾動、發射段振動和空間環境影響等導致的相機輻射響應特性變化，一般采用輻射校正場結合反射率法進行標定，其絕對輻射定標精度優于5%，相對輻射定標精度優于3%。

(3)偏航輻射定標過程中，衛星偏航90°飛行并成像，地面獲取圖像數據后通過兩點法或直方圖統計法獲取相機相對輻射定標系數。偏航定標是國外多顆衛星，如艾科諾斯-2(Ikonos-2)、陸地衛星-8(Landsat-8)在軌相對輻射定標的主要方法，國內在高分一號衛星上也進行了應用[20]。偏航定標降低了定標場地選擇要求，增加了定標窗口時機，依靠陸地衛星自身敏捷特性即可實現，降低了工程復雜度[21-22]。

(4)漫反射板絕對輻射定標通常選擇太陽或定標燈作為穩定輻射定標源，結合已知雙向反射分布函數的漫射板，產生光譜輻亮度已知的近朗伯面光源，實現遙感器全孔徑全光路星上定標。該方式易實現高頻次、高精度、長周期標定，相關設計和裝配也容易實現。

(5)月球表面反射率的變化率約為10-8/年，光譜特性穩定，光譜范圍覆蓋可見光、近紅外全部譜段，非常適合作為參考輻射基準源，且月球定標不受大氣影響，雜散光影響可降至最低，能滿足每天多次的定標需求，實現對遙感器輻射響應的全周期動態監測。隨著月球輻亮度模型的不斷完善，對月輻射定標的精度也不斷提高。目前，國外地球觀測-1(EO-1)、Ikonos-2、“昴宿星”(Pleiades)及我國的“風云”系列衛星，都進行過對月定標研究[23]。典型對月定標過程如圖6所示。

圖6 對月定標過程示意

3 結束語

經過20多年的發展，我國陸地衛星在幾何分辨率、圖像定位精度等幾何定量性能方面提升明顯，圖像幾何質量達到甚至超過國外同類衛星水平，輻射質量與國外衛星的差距也在不斷縮小，我國陸地衛星圖像數據在國民經濟各行業中應用日益廣泛，取得良好的經濟和社會效益。后續隨著高分七號、“陸地生態系統碳監測”、“高分辨率多模綜合成像”等衛星逐步投入應用，將在探測手段、幾何精度、譜段范圍、光譜分辨率、輻射定標等方面進一步提高我國陸地定量遙感衛星技術水平，推動我國陸地衛星圖像數據在林業、農業、環保、住建等行業的深度應用，促進我國定量遙感技術與應用的跨越式發展。