新型超寬幅光學遙感衛星影像幾何處理

薛武，王鵬，鐘靈毓

(航天工程大學，北京 101416)

0 引言

經過“高分”專項的持續投入與建設，我國的對地觀測能力有了很大提升，在國民經濟建設和國防建設的諸多領域中發揮了重要作用[1]。然而，高空間分辨率和大幅寬始終是光學遙感衛星研制時一對互相矛盾的指標，常常難以兼顧。新型線陣擺掃式衛星的提出有望實現超大幅寬與超高分辨率的兼顧，為提高對地觀測能力提供新的技術手段。

為了提高對地成像的幅寬，當前遙感衛星主流的寬幅成像方式包括多片CCD拼接、多相機多角度視場拼接、衛星姿態快速機動下的寬覆蓋影像獲取和多星組網等[2]。以上方式雖然在一定程度上提高了衛星的成像幅寬，但存在成本高、連續大范圍成像能力不足、效能提升有限等問題，沒有從根本上解決分辨率與幅寬之間的矛盾。

隨著衛星平臺技術和姿態控制技術的發展與進步，將線陣CCD沿衛星飛行方向安置，相機鏡頭繞飛行方向360°旋轉，旋轉過程中完成對地面的掃描成像，在保證地面分辨率的前提下可以大幅拓展影像的幅寬，這就是線陣擺掃式衛星的成像基本原理(圖1(a))。為滿足立體測繪、三維重建等需求，衛星上可以配置雙相機，兩個相機夾角180°，交替對地成像，其中一個相機主光軸沿軌向前或向后傾斜一定角度，從而獲取滿足攝影測量交會條件立體影像(圖1(b))[3]。線陣擺掃成像方式實現了米級分辨率與千公里幅寬的兼顧，可大大提高衛星影像的時效性，為高分辨率光學衛星寬幅對地觀測提供了一種全新的思路和解決途徑，為國土資源調查、自然災害應急響應、目標監視、測繪制圖等諸多領域提供優質遙感數據。

圖1 線陣擺掃式衛星影像成像及立體影像獲取示意圖

線陣擺掃式衛星影像能夠通過多種方式實現對地定位：可以在DEM、DSM的輔助下利用單景影像定位，也可以通過雙相機獲取的立體像對前方交會對地定位，還可以通過多景影像空三加密實現高精度地理定位，其理論基礎與線陣推掃式衛星影像基本相同。但由于成像方式差異較大，擺掃式衛星影像幾何處理難度較大，現有處理理論和技術方法存在諸多不適應性，需要發展相應的理論和技術方法。

本文在對線陣擺掃衛星成像原理和設計思路進行介紹的基礎上，對其幾何處理的難點進行分析，提出了初步的解決思路，并利用開源地理信息生成了模擬影像進行分析。

1 新型超寬幅衛星介紹

1.1 成像原理

超寬幅衛星將多條線陣CCD沿飛行方向進行拼接，實現沿軌方向成像范圍的增大，如圖2(a)所示，同時相機在垂軌方向上進行旋轉掃描成像，如圖2(b)所示。“沿軌拼接，垂軌掃描”的成像方式極大地拓展了光學遙感衛星的幅寬。由于采用了特殊的成像方式，影像的分辨率從星下點向邊緣逐漸降低，成像角度也由垂直對地觀測漸變為側視成像，邊緣處由于大傾角成像導致的地物幾何畸變十分嚴重。同一景影像的地面分辨率和成像角度差別較大，為影像幾何處理帶來很大挑戰。

圖2 線陣擺掃衛星成像示意圖

1.2 可視化分析

為了更加直觀說明超寬幅衛星影像成像能力，筆者團隊研制了超寬幅衛星影像模擬軟件，該軟件可以對衛星成像過程進行可視化仿真，并利用數字正射影像和數字高程模型計算輸出模擬影像。利用該軟件將衛星經過中國上空時某一景影像的地面覆蓋情況進行了模擬，主要模擬參數如圖3所示，模擬結果如圖4所示。

圖3 影像模擬主要參數設置

圖4 影像覆蓋范圍示意圖

圖4中綠色突出區域表示下視相機的地面覆蓋范圍，黃色突出區域表示前視相機的覆蓋范圍。從模擬結果中可以看出，衛星軌道高度為500 km時，下視相機星下點分辨率約1 m，從星下點向兩側逐漸降低至5 m左右，影像幅寬可達3 000 km。同時，模擬結果可以形象展示衛星影像地面覆蓋區域的幾何形狀，為后續誤差分析溯源、影像幾何校正提供參考依據。

1.3 應用前景

超寬幅光學遙感衛星可以快速獲取大范圍高分辨率的態勢信息，在國土資源普查、生態環境監測、自然災害應急響應以及大范圍地形快速三維重建等諸多領域具有重要的應用價值。

2 超寬幅衛星影像幾何處理難點分析

由于成像方式的不同，與線陣推掃式衛星相比，線陣環掃式衛星的幾何處理有以下特點。

一是環掃式衛星影像具有超大幅寬，給地面定標場的建設帶來了困難。大多數測繪衛星為了提高地面分辨率，視場角較小，幅寬通常只有幾十公里，而線陣擺掃式衛星幅寬可以達到數千公里。目前國內外已有的衛星定標場均不能滿足如此大幅寬的需求，尚無經驗可以借鑒[4-8]。

二是影像分辨率的變化不容忽視。三線陣測繪衛星為滿足攝影測量的技術要求，前視、下視、后視相機的分辨率盡量保持一致。而線陣擺掃衛星垂軌擺掃成像導致星下點影像分辨率與影像邊緣的差別最大可達五倍。分辨率的差異對于影像匹配、地面控制點設計與識別等均有影響，在幾何定標時必須予以考慮。

三是線陣環掃式衛星影像的姿態測量精度較低。為測量平臺和載荷的姿態，衛星平臺和相機上均配置有星敏感器，相機姿態的確定可以通過兩種方式：一是通過平臺上的高精度星敏測定姿態然后經過關節測量傳遞得到相機的姿態；二是通過與相機固連的高動態星敏感器測量解算相機姿態。第一種方式關節測量的精度較低，第二種方式高動態星敏的精度較低，由此導致影像姿態測量精度較低，有20″左右，與測繪衛星有較大差距，對地定位精度難以保證。

四是現有描述影像外方位元素的數學模型不再適用。線陣擺掃的特殊成像方式導致已有的低階多項式模型、分段多項式模型、定向片內插模型等對于外方位元素建模不再適用，需要根據擺掃成像過程中線元素和角元素的特殊變化規律建立新的模型。

五是活動部件多，有效載荷受震動影響比較明顯。由于相機以360°旋轉的方式實現垂軌擺掃成像，衛星平臺、關節及載荷活動部件多，旋轉過程中震動較大，相機主距、CCD安置關系等將會受到影響，在定標時必須予以考慮。

本文針對線陣擺掃式衛星幾何處理中存在的問題開展研究，提出初步的解決思路，為衛星論證研制和地面應用提供技術參考與支撐。

3 初步解決思路

針對線陣環掃衛星影像幾何處理的難點，借鑒現有航天攝影測量的理論技術方法，提出如下初步解決思路。

1)線陣擺掃式衛星影像成像模型構建。針對新型線陣擺掃式衛星的成像特點，分別構建嚴密成像模型和有理函數模型。對照線陣推掃式影像成像模型，在分析擺掃成像的特點、坐標轉換關系的基礎上構建嚴密成像模型。根據嚴密成像模型，構建線陣擺掃式衛星的有理函數模型，初步技術方案如圖5所示[9]。

圖5 成像模型構建技術方案

2)線陣擺掃式衛星影像定位誤差全鏈路溯源建模與分析。按照“有測量就會有誤差”“有誤差就要分析建模”的思路，需要對成像過程中涉及到的天、星、地全鏈路誤差進行分析與建模，全面梳理各類誤差源。按照誤差特性對各類誤差進行分類，分析不同誤差之間的耦合性，并對各類誤差的影響大小進行定量評估，對幾何定標時各類誤差的處理方式提出可行建議。定位誤差全鏈路溯源建模與分析擬采用的技術方案如圖6所示，方案涵蓋成像全過程中主要的誤差來源，在理論研究的基礎上結合衛星載荷與平臺的設計指標進行量化分析[10-11]。

圖6 誤差全鏈路溯源建模與分析研究方案

3)線陣擺掃式衛星影像定位精度預先評估。在誤差溯源與分析的基礎上，從理論研究和仿真實驗兩個方面對線陣擺掃式衛星的定位精度進行評估。理論研究主要是根據誤差傳播模型，開展線陣擺掃式衛星影像幾何精度的定量分析和評價，設計并提出不同控制條件下的擺掃式立體衛星影像平面和高程精度估算模型和方法。仿真實驗主要是利用模擬影像和地面控制點數據，對定位精度進行定量化評估，并與理論研究結果對比分析，仿真實驗的初步技術方案如圖7所示[12-16]。

圖7 線陣影像定位精度評價方案

4)線陣擺掃式衛星在軌幾何定標方案設計。在成像模型構建、誤差全鏈路溯源建模與分析的基礎上，設計線陣擺掃式衛星在軌幾何定標的初步方案，依據成像模型和誤差來源確定幾何定標主要內容，根據誤差隨機特性和相互之間的耦合特性確定定標步驟，根據參數之間的相關性研究穩健的定標方案，最后提出定標精度的評價方案。在軌幾何定標的初步技術方案如圖8所示[17-22]。

圖8 幾何定標方案

4 超寬幅衛星影像模擬實驗與分析

為分析超寬幅衛星影像的特點，利用超寬幅衛星影像模擬軟件生成了多景模擬影像。模擬影像所用的輸入數據均為開源渠道下載，選取了中國河南某地區作為星下點，遴選了不同數據源、不同分辨率(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m)的光學遙感影像，覆蓋面積為4 000×250 km2，DEM采用SRTM 90 m地形數據。

利用模擬軟件分別生成了實驗區域下視相機和前視相機的模擬影像，如圖9、圖10所示。影像幾何關系嚴密、細節清晰、色調均勻、置信度較高，可以用于后續幾何處理研究。由于地球曲率原因，掃描線陣的中間CCD探元掃描到地球邊緣的物距要小于兩側CCD探元掃描到地球邊緣的物距，因此模擬的整景原始影像會出現邊緣的圓弧狀效果。同樣的原因，由于前視成像時靠近星下點一側的CCD探元掃描到地球邊緣的物距要小于另一側CCD探元掃描到地球邊緣的物距，因此，該側影像比起星下點一側呈現向中間收縮的效果。

圖9 下視相機模擬影像

圖10 前視相機模擬影像

前視相機和下視相機模擬影像的局部細節如圖11所示，超大幅寬衛星相機的立體構建模式類似于異軌立體成像，因此影像變形主要體現在列坐標方向。

圖11 下視相機和前視相機模擬影像局部

圖12是星下點的正視與前視影像構成的核線立體影像，可以佩戴紅藍立體眼鏡觀測地形起伏效果。星下點部分的立體影像制作與傳統的核線立體影像制作原理一樣。但遠離星下點的影像部分由于視角、地形等客觀因素及傳統RPC計算方法的局限性，其立體產品生產方法仍需進一步研究。

圖12 模擬立體影像經核線重排效果(紅藍立體)

5 結束語

超大幅寬和高分辨率是遙感工作者始終不懈追求的目標，新型線陣環掃式衛星概念的提出為實現這一目標提供了可能。本文在對超寬幅衛星影像成像原理進行介紹的基礎上，分析了其幾何處理的難點，提出了初步的解決思路，并利用開源地理信息模擬生成了下視相機和前視相機模擬影像，可用于幾何處理驗證實驗。本文的理論分析和實驗結果可以為衛星研制部門指標論證和分析提供參考，也可作為衛星地面系統研制的技術參考。

光學遙感衛星處于快速發展中，新型傳感器、新成像方式不斷涌現，衛星影像幾何處理也要與時俱進，在解決工程技術問題的過程中注重理論創新。