遙感系統(tǒng)分辨率的辨析與評測

張永生

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

無論是在機(jī)載平臺還是在星載平臺上實(shí)施對地觀測，空間遙感系統(tǒng)都是核心的任務(wù)載荷，其中光學(xué)遙感系統(tǒng)在航空航天遙感活動中占有較大的比重。光學(xué)遙感系統(tǒng)的主體，通常由一個或多個光學(xué)成像傳感器及輔助其同步測量成像時(shí)刻位置與姿態(tài)變化量的設(shè)備單元組成。如果把與對地觀測平臺相關(guān)的效能指標(biāo)加以分離(如地面覆蓋能力)，單獨(dú)考慮遙感系統(tǒng)的性能指標(biāo)，往往可以從一組分辨率的數(shù)值對其進(jìn)行描述和刻畫。分別從幾何和物理屬性出發(fā)，這樣的一組分辨率指標(biāo)大體上可歸結(jié)為空間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率和姿態(tài)分辨率。通過分辨率指標(biāo)概要地、簡潔地描繪出空間遙感系統(tǒng)的能力，甚至簡化地論述對地觀測系統(tǒng)的綜合能力，已經(jīng)成為學(xué)界和業(yè)界習(xí)慣性采用的簡便方法。

用分辨率指標(biāo)簡便描述遙感系統(tǒng)的性能，有其存在的合理性和高度概括的有效性。不過，由于對地觀測任務(wù)的巨大差異，空間遙感系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式各不相同，對各個分辨率指標(biāo)的定義和理解也就必然存在差別，甚至產(chǎn)生了一些模糊地帶。國際上與空間遙感相關(guān)的諸多學(xué)科經(jīng)典文獻(xiàn)對各個分辨率的定義和論述[1-4]在側(cè)重點(diǎn)上不盡一致，需要對其實(shí)質(zhì)進(jìn)行必要的厘清和辨明。特別是我國正在開展的“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”國家重大科技專項(xiàng)及日益繁榮的商業(yè)遙感市場，日益呈現(xiàn)出多學(xué)科大合作的嶄新局面。各學(xué)科專業(yè)在技術(shù)協(xié)作、系統(tǒng)對接、共性問題探討方面，十分需要建立較為一致的專業(yè)技術(shù)話語體系，對于各個分辨率的概念、定義和指標(biāo)的內(nèi)涵能夠在相近的層面、相容的思維空間形成彼此無誤的認(rèn)知與理解。尤其是，處于構(gòu)建高分辨率對地觀測系統(tǒng)諸多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)分配、銜接和傳遞過程，更加需要精準(zhǔn)、無偏差地把握各種分辨率的確切內(nèi)涵。本文正是基于這樣的考慮，試圖對前述的五種分辨率的意義進(jìn)行討論和辨析，并結(jié)合一定的實(shí)例加深對問題的理解。

1 空間分辨率

1.1 空間分辨率是否等同于地面采樣間隔？

遙感系統(tǒng)的空間分辨率(spatial resolution)，也稱地面分辨率，其含義是指遙感系統(tǒng)或遙感影像區(qū)分地面上兩個目標(biāo)的最小角度或者最小線性距離的度量值。通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的分析[5-7]，我們把空間分辨率歸納為以下四種表示方法。

1)線對數(shù)(line pairs，LP)。早期以膠片類感光材料為影像記錄介質(zhì)的攝影成像系統(tǒng)，采用1 mm間隔內(nèi)影像上可區(qū)分的等寬度明暗條紋的線對之?dāng)?shù)量來表示，在傳統(tǒng)攝影測量行業(yè)也稱其為分解力(resolving power，RP)，單位為線對/mm。這樣的表示方法，能夠確切地反映地面上邊界清晰目標(biāo)間的分辨能力。譬如，某型返回式攝影測量衛(wèi)星的成像比例尺為1∶10萬，攝影膠片影像的分解力為30線對/mm；美國Ikonos衛(wèi)星的成像比例尺為1∶68 100，經(jīng)判讀分析其CCD全色影像的分解力為40線對/mm。

2)瞬時(shí)視場(instantaneous field of view，IFOV)。IFOV是指遙感成像傳感器內(nèi)單個探測單元的受光角度或觀測視野的大小，單位為毫弧度(mrad)。IFOV越小，最小可分辨單元也就越小。然而，在任何一個確定的瞬時(shí)視場內(nèi)，往往包含著不止一種地面覆蓋類型和紋理特征，其所記錄的是一種復(fù)合信號響應(yīng)。每個單元記錄的影像既可能是“純”像元，也可能是“混合”像元，因此，僅靠IFOV尚不能確切地表達(dá)地面物體的真實(shí)分辨能力。

3)地面分辨間隔(ground resolved distance，GRD)。這是一種結(jié)合傳感器成像幾何參數(shù)和影像線對數(shù)(分解力)導(dǎo)出的空間分辨率指標(biāo)。假定成像平臺飛行的相對高度為H，傳感器光學(xué)鏡頭的焦距為f，可以得到式(1)。

GRD=(H/f)/LP

(1)

仍以Ikonos衛(wèi)星為例，H為681 km，f為10 m，LP為40線對/mm，則計(jì)算得GRD為1.7 m。因此，在Ikonos衛(wèi)星全色影像上分辨出相鄰明暗線條的最小距離為1.7 m。

4)地面采樣間隔(ground sample distance，GSD)。通常以傳感器單個探測單元所采集地面影像的線性距離來表示，實(shí)際上就是遙感影像上每個像元(pixel)對應(yīng)地面的單邊長度。Ikonos衛(wèi)星的CCD單元尺寸為12 μm×12 μm，按照其成像比例尺，不難得出其全色影像的星下點(diǎn)GSD為0.817 m。考慮到計(jì)算成像比例尺的軌道高度為平均相對航高值，在地面起伏條件下，每個地面點(diǎn)的成像比例尺均不盡相同，因此，Ikonos衛(wèi)星全色影像的標(biāo)稱GSD約為1 m。

對比Ikonos衛(wèi)星的GRD和GSD，顯然影像的實(shí)際分辨能力，不是標(biāo)稱的GSD能夠達(dá)到的。因此，也把GSD稱為名義空間分辨率(nominal spatial resolution)。相對而言，經(jīng)過判讀影像的地面明暗線對數(shù)后計(jì)算出的GRD，更能反映真實(shí)影像對地面目標(biāo)的分辨能力。GSD是根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)得出的數(shù)值，與真實(shí)獲取的影像并不對等。

1.2 遙感系統(tǒng)空間分辨率的評測與分析方法

評測遙感系統(tǒng)真實(shí)分辨能力的常用途徑，是在地面布設(shè)不同形狀、黑白分明的人工靶標(biāo)，其中以不同寬度的平行線和幾何輻射狀的扇形(或圓形)靶標(biāo)為主[8](圖1、圖2、圖3)。

圖1 分解力測試圖案

圖2 美國Stennis衛(wèi)星分辨率靶標(biāo)

圖3 中國嵩山遙感定標(biāo)場分辨率測試靶標(biāo)圖[8]

2 輻射分辨率

2.1 輻射分辨率怎樣理解？

遙感系統(tǒng)的輻射分辨率(radiometric resolution)，是指傳感器能區(qū)分目標(biāo)反射或輻射電磁波強(qiáng)度變化量的能力。在可見光、近紅外波段用噪聲等效反射率表示，在熱紅外波段用噪聲等效溫差、最小可探測溫度和最小可分辨溫差表示。輻射分辨率的計(jì)量用式(2)表示。

RL=(Rmax-Rmin)/D

(2)

式中：Rmax為最大輻射量值；Rmin為最小輻射量值；D為量化級。RL越小，表明傳感器越靈敏。

2.2 輻射分辨率與輻射量化等級的關(guān)系

輻射分辨率的高低取決于傳感器對輻射量區(qū)分和測量的靈敏度。感光材料(如膠片)或光敏器件(如CCD、CMOS)的性能[9]，決定了輻射記錄的質(zhì)量。輻射量的絕對測量和相對測量，以及因器件性能衰減導(dǎo)致的變化量的動態(tài)跟蹤，通常需要通過各階段多模式的輻射定標(biāo)才能精確掌握。輻射定標(biāo)是將傳感器記錄的數(shù)值轉(zhuǎn)換為絕對輻射亮度的過程，這個輻射亮度在本質(zhì)上應(yīng)該是與傳感器采集影像的構(gòu)成特性無關(guān)，是真實(shí)的客觀光亮度。輻射定標(biāo)既可以是相對定標(biāo)，也可以是絕對定標(biāo)。對于一個理想的線性傳感器，絕對定標(biāo)是通過傳感器的數(shù)字值(DN)乘以一個比值來進(jìn)行，該比值通過光學(xué)系統(tǒng)入瞳處精確已知的均一輻射亮度確定。而相對定標(biāo)則將一個波段內(nèi)所有探測器的輸出歸一化為一個給定的輸出值(通常為平均值)。

由此不難理解，傳感器的輻射測量及其定標(biāo)，是完成被觀測地面區(qū)域和目標(biāo)亮度(或輻射強(qiáng)度)的路徑。輻射分辨率RL的計(jì)算，其核心在于最大、最小輻射量值Rmax和Rmin的取得。而量化級D值的確定，則是人為的選擇。D值的設(shè)計(jì)和選擇，取決于輻射測量的信噪比，只有在器件靈敏即信噪比有足夠保證的情況下，才是有意義的。早期遙感系統(tǒng)采用8位(256級)量化，隨著傳感器性能的提升，逐步提高到10位(1 024級)、11位(2 048級)或12位(4 096級)的D值。例如，SPOT 5、GeoEye-1、EO-1衛(wèi)星，分別采用10、11和12位的量化等級；我國的天繪一號、資源三號、高分一號衛(wèi)星，則主要采用10位的量化等級。隨著探測系統(tǒng)整體質(zhì)量的提高和輻射定標(biāo)技術(shù)的改進(jìn)，我國“高分”系列后續(xù)光學(xué)遙感衛(wèi)星多數(shù)已采用11位量化等級。在輻射測量器件質(zhì)量不高時(shí)，人為提高D值并不恰當(dāng)，只會額外增加無效的遙感影像數(shù)據(jù)量，增加衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，對于高質(zhì)量的對地觀測并無價(jià)值。

因此，輻射分辨率與量化等級不存在嚴(yán)格意義上的對應(yīng)關(guān)系，只有當(dāng)輻射定標(biāo)準(zhǔn)確且對輻射測量的信噪比有客觀評估，確定的量化等級和由此計(jì)算的輻射分辨率才能描述傳感器的真實(shí)能力。

2.3 輻射分辨率定標(biāo)評測方法

國際地球觀測衛(wèi)星委員會(Committice on Earth Observation Satellite，CEOS)定標(biāo)與真實(shí)性檢驗(yàn)工作組把遙感定標(biāo)定義為：定量地確定遙感系統(tǒng)對已知的、可控制的信號輸入響應(yīng)的過程。定標(biāo)的核心內(nèi)容是確定電磁輻射的響應(yīng)及其與若干變量的函數(shù)關(guān)系，包括：輸入信號的強(qiáng)度(輻射響應(yīng))、不同的積分時(shí)間和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)置、噪聲信號(如雜散光和其他光譜波段泄露光的影響)、波長/波段(光譜響應(yīng))、在不同瞬時(shí)視場角/全景的位置差異(空間響應(yīng))。其中，前三項(xiàng)主要涉及輻射定標(biāo)，第四項(xiàng)歸于光譜定標(biāo)，第五項(xiàng)則屬于幾何定標(biāo)的范疇。光譜和幾何定標(biāo)隨后專門討論，本節(jié)重點(diǎn)分析與輻射分辨率密切相關(guān)的輻射定標(biāo)方法。

衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的輻射定標(biāo)，通常分為發(fā)射前和發(fā)射后的定標(biāo)，其所采用的方法、手段、設(shè)備和流程差異很大。發(fā)射前在實(shí)驗(yàn)室或制造、安裝的穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，采用積分球等設(shè)備對遙感系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，可獲得穩(wěn)定、可靠的定標(biāo)參數(shù)，相應(yīng)的定標(biāo)方法和技術(shù)流程已經(jīng)十分成熟。但是，在發(fā)射后的太空環(huán)境中，定標(biāo)結(jié)果會隨著傳感器周圍環(huán)境的變化而改變。因此，發(fā)射后變化的定標(biāo)參數(shù)需要通過外場定標(biāo)方法獲得。外場定標(biāo)也稱為天地一體的場地定標(biāo)，是一種在軌運(yùn)行的遙感系統(tǒng)結(jié)合地表天然或人工場地進(jìn)行定標(biāo)的技術(shù)途徑，也是更符合遙感器實(shí)際應(yīng)用狀況的業(yè)務(wù)化、常態(tài)化定標(biāo)模式。

1)天然場地定標(biāo)。利用海洋、沙漠、云、雪、冰殼、月亮等自然場域和天然靶標(biāo)條件，進(jìn)行輻射定標(biāo)，是行之有年的常用定標(biāo)方法，主要利用已知的大氣和地面目標(biāo)物理特性，將觀測到的輻射亮度與輻射傳輸計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，從而改進(jìn)和補(bǔ)償定標(biāo)參數(shù)的變化。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的場地建設(shè)投入，缺點(diǎn)是不易到達(dá)場地，有不可控的因素。

2)人工場地定標(biāo)。人工輻射定標(biāo)場，是在選定的地域鋪設(shè)或固化一定規(guī)格的輻射靶標(biāo)，其靶標(biāo)反射率根據(jù)需要人為設(shè)定，方便在任何時(shí)候在較為恒定的條件下重復(fù)實(shí)施定標(biāo)作業(yè)。美國NASA斯坦尼斯的遙感定標(biāo)場及中國嵩山衛(wèi)星遙感定標(biāo)場、包頭北方遙感定標(biāo)場等，均采用了這種模式。對于視場較小的高分辨率遙感衛(wèi)星，人工場地的定標(biāo)模式具有顯著的優(yōu)勢，已經(jīng)取得良好的應(yīng)用效果。

3)點(diǎn)光源設(shè)備定標(biāo)。在特別建設(shè)的定標(biāo)場，利用人工鋪設(shè)的具有均勻低反射率的背景，設(shè)置反射太陽光的凸面鏡或者自發(fā)光裝置進(jìn)行輻射定標(biāo)，是近年來高分辨率衛(wèi)星遙感定標(biāo)的最新發(fā)展趨勢。美國Ikonos衛(wèi)星、QuickBird衛(wèi)星及后續(xù)遙感衛(wèi)星多采用固定式凸面反射鏡組點(diǎn)光源(圖4、圖5)[10]進(jìn)行輻射定標(biāo)，我國更進(jìn)一步發(fā)展了可程控調(diào)節(jié)方向的點(diǎn)光源反射鏡輻射定標(biāo)裝置和陣列點(diǎn)光源輻射定標(biāo)裝置(圖6、圖7)[11]。為了避免太陽光與環(huán)境因素的交互影響，也有采用LED自發(fā)光裝置在夜間作為點(diǎn)光源進(jìn)行輻射定標(biāo)的新思路進(jìn)行的有益探索。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明，點(diǎn)光源輻射定標(biāo)對于改善輻射分辨率和輻射分辨率評測具有較大的發(fā)展前景。

圖4 美國Ikonos衛(wèi)星采用凸面反射鏡組點(diǎn)光源輻射定標(biāo)

圖5 美國QuickBird II衛(wèi)星采用凸面反射鏡組點(diǎn)光源輻射定標(biāo)

圖6 程控指向的點(diǎn)光源輻射定標(biāo)裝置

圖7 陣列點(diǎn)光源輻射定標(biāo)裝置

3 光譜分辨率

3.1 如何描述光譜分辨率？

光譜分辨率(spectral resolution)是傳感器探測并區(qū)分電磁波譜的特性參數(shù)。根據(jù)需要，一般可用三個參數(shù)來描述，其一是波段的數(shù)量，其二是波段寬度(band width)，其三是每個波段的中心波長。為便于使用和表示，也常采用某個波段的中心波長命名該波段。例如，人眼可感知的可見光波長范圍在400～700 nm之間，在近紅外和熱紅外波段，同樣根據(jù)傳感器的用途的差異，進(jìn)一步細(xì)分為若干的波段。在微波遙感系統(tǒng)中，一般用約定的名稱對相應(yīng)的波段范圍加以區(qū)分。

事實(shí)上，在光學(xué)遙感中，隨著高光譜或超光譜探測器件性能的提升，波段范圍進(jìn)一步細(xì)分，每個波段的寬度從傳統(tǒng)多光譜的幾十個納米(nm)縮小到10 nm甚至5 nm，相應(yīng)的波段數(shù)也達(dá)到了100個至1 000個以上。例如，美國EO-1衛(wèi)星的超光譜傳感器，在400 nm到2 500 nm范圍(即0.4～2.5 μm之間)的波段數(shù)達(dá)到242個，波段寬度為10 nm。

光譜細(xì)分的直接結(jié)果，就是對同一個探測區(qū)域獲得記錄光譜微小差異的巨大影像集，構(gòu)成所謂的高(超)光譜影像立方體(圖8)，為區(qū)分和辨別地面物質(zhì)的組分和特性提供了豐富的客觀數(shù)據(jù)。

圖8 超光譜影像立方體

3.2 光譜分辨率評測方法

評測光譜分辨率，涉及到光譜定標(biāo)和光譜數(shù)據(jù)的定量反演兩個主要步驟。

1)光譜定標(biāo)。光譜定標(biāo)是為了確定遙感系統(tǒng)各波段的光譜響應(yīng)函數(shù)，包括中心波長和波段寬度。定標(biāo)工作也分為發(fā)射前定標(biāo)和在軌定標(biāo)兩個部分。前者主要是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行像元的光譜響應(yīng)度、中心波長、譜段寬度等的絕對定標(biāo)和相對預(yù)定標(biāo)；后者則是外部參考標(biāo)準(zhǔn)(地面校正實(shí)驗(yàn)場實(shí)測光譜和輻射量)與在軌內(nèi)部定標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)(如白熾燈等)進(jìn)行在軌實(shí)時(shí)光譜校正。

2)光譜測量數(shù)據(jù)的定量化反演與比對評測。將光譜探測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為反射率圖像，是在經(jīng)過大氣糾正等輻射定標(biāo)基礎(chǔ)上才能完成的。此時(shí)得到的各波段的影像，才能用于光譜數(shù)據(jù)的定量反演。國際上多采用基于圖像內(nèi)容統(tǒng)計(jì)特征的方法，如平滑糾正法、對數(shù)殘差法、平均相對反射率方法等。我國主要采用相對反射率圖像轉(zhuǎn)換法或稱經(jīng)驗(yàn)曲線擬合法，即利用地面同步光譜測量值進(jìn)行光譜定標(biāo)，建立相關(guān)線性模型，經(jīng)反演來修正成像光譜影像上獲得的光譜曲線。

成像光譜具有圖譜合一的特點(diǎn)，高光譜立方體影像上任一特定點(diǎn)的光譜特征，可以用擬合的二維光譜曲線直觀地表達(dá)。直角坐標(biāo)系的橫軸坐標(biāo)表示波長，縱軸坐標(biāo)表示相應(yīng)的反射率(圖9)。與地物光譜儀在地面實(shí)測的光譜曲線比對，能夠客觀地評判遙感系統(tǒng)光譜測量的真實(shí)性和光譜分辨率指標(biāo)設(shè)計(jì)的合理性。

圖9 成像光譜恢復(fù)的地物光譜曲線

4 時(shí)間分辨率

4.1 時(shí)間分辨率是否有一致的表達(dá)指標(biāo)？

時(shí)間分辨率(temporal resolution)是描述遙感系統(tǒng)對同一地面區(qū)域重復(fù)獲取遙感影像時(shí)間頻度的一項(xiàng)指標(biāo)。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，其含義也在變化。大體上，對時(shí)間分辨率有三種不盡相同的約定。

第一種定義，也是較常用的描述。同一遙感器按照一定的時(shí)間周期重復(fù)采集數(shù)據(jù)，其重復(fù)觀測的最小時(shí)間間隔稱為時(shí)間分辨率，并由衛(wèi)星平臺的軌道高度、軌道傾角、軌道周期、軌道間隔、偏移系數(shù)等參數(shù)決定。美國Ikonos、GeoEye衛(wèi)星經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的重訪周期為3 d，就可以按照該時(shí)間間隔重復(fù)采集數(shù)據(jù)，可理解為時(shí)間分辨率為3 d。不過，其全球均勻覆蓋并不能達(dá)到這樣的重訪時(shí)間指標(biāo)。因此，不能認(rèn)為此種遙感衛(wèi)星的時(shí)間分辨率就是恒定值。例如，法國SPOT 5衛(wèi)星，軌道高度832 km，軌道傾角98.7°，重復(fù)周期為26 d。但該衛(wèi)星的HRV遙感器具有傾斜觀測能力(傾角±27°)，在26 d的周期內(nèi)，中緯度地區(qū)可以觀測12次，赤道可觀測7次，緯度70°處可觀測28次，因此，SPOT 5衛(wèi)星的時(shí)間分辨率約為1～4 d。

第二種定義。遙感衛(wèi)星組網(wǎng)觀測的情況下，重復(fù)觀測的頻度大大提高，此時(shí)多個遙感器探測的時(shí)間間隔顯著縮短，由此獲得的時(shí)間分辨率是一種遙感衛(wèi)星組網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)行模式?jīng)Q定的時(shí)間指標(biāo)。德國RapidEye衛(wèi)星群由同一軌道面均勻分布的五顆衛(wèi)星組成，設(shè)計(jì)的重訪周期為1 d，但同軌地面覆蓋的遙感數(shù)據(jù)重復(fù)采集的間隔約為1 500 s。

第三種定義。視頻成像衛(wèi)星是一種高動態(tài)連續(xù)成像的嶄新模式，其獲取影像數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔極短，時(shí)間分辨率只與視頻成像傳感器凝視觀測的設(shè)定有關(guān)，衛(wèi)星飛行參數(shù)及組網(wǎng)與否基本無影響。由于視頻影像凝視成像的特殊性，相鄰兩幀影像的成像時(shí)間差可控制在1/10～1/30 s之間。

4.2 時(shí)間分辨率評測方法

在遙感應(yīng)用工程中實(shí)現(xiàn)重復(fù)觀測的方式多種多樣，時(shí)間分辨率的內(nèi)涵不同、尺度跨越的范圍較大，尚難以建立統(tǒng)一的評測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)方法。

評價(jià)時(shí)間分辨率是否滿足需要，主要取決于應(yīng)用需求。對于地表變化不大或者變化較慢的區(qū)域，時(shí)間分辨率并不是一個廣受關(guān)注的指標(biāo)。對于土地覆蓋、道路、建筑物等變化的監(jiān)測，一個月甚至半年為周期，基本就能滿足需要。在突發(fā)自然災(zāi)害的區(qū)域，每天一次至多次的高頻次重復(fù)觀測，將為災(zāi)害應(yīng)對和救援提供十分寶貴的詳查數(shù)據(jù)，此時(shí)，衛(wèi)星視頻成像和無人機(jī)視頻成像或許能夠發(fā)揮更大的作用。在軍事應(yīng)用方面，時(shí)間分辨率是一個十分重要的指標(biāo)，軍事目標(biāo)的動態(tài)變化意味了特殊的情報(bào)價(jià)值。對于運(yùn)動目標(biāo)的跟蹤監(jiān)視，視頻觀測將會發(fā)揮不可替代的作用。

全球時(shí)空地理信息觀測網(wǎng)和區(qū)域無人機(jī)觀測網(wǎng)的規(guī)劃與發(fā)展，對時(shí)間分辨率的要求越來越高。優(yōu)化和評測時(shí)間分辨率指標(biāo)，對于提升對地觀測網(wǎng)的投入產(chǎn)出效益至關(guān)重要，已成為今后一個時(shí)期必須重點(diǎn)研究的問題。

5 姿態(tài)分辨率

5.1 為什么要重視姿態(tài)分辨率？

姿態(tài)分辨率(attitude resolution)是描述遙感系統(tǒng)成像觀測指向角度測量能力的指標(biāo)，主要由瞬時(shí)姿態(tài)角的測量精度和角度測量的頻率來表示。所有衛(wèi)星平臺通常都配置有專門的姿態(tài)分系統(tǒng)，用于保持和控制平臺的基本姿態(tài)穩(wěn)定。衛(wèi)星平臺受外部和內(nèi)部擾動因素影響，姿態(tài)不可避免地會發(fā)生變化。外部擾動由大氣(低軌道時(shí))、太陽風(fēng)、地球重力場引起，內(nèi)部擾動由衛(wèi)星自帶燃料液面的晃動、器件發(fā)熱、調(diào)姿動量輪轉(zhuǎn)動等因素造成。根據(jù)衛(wèi)星對姿態(tài)控制精度的不同需要，對姿態(tài)角及其變化率的測量，可分別采用磁力計(jì)、太陽敏感器、地球敏感器等低精度測量部件，恒星敏感器(星敏感器)和陀螺(慣性測量單元)等高精度測量部件，或者它們的不同組合來完成[12]。大多數(shù)衛(wèi)星姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)經(jīng)快速處理，直接用于衛(wèi)星姿態(tài)變化的實(shí)時(shí)控制(調(diào)整姿態(tài))。由于姿態(tài)控制的實(shí)時(shí)性要求，姿態(tài)測量數(shù)據(jù)的處理必須極快速地完成。因此，造成了星敏感器的測量頻度不能過高，否則星圖的識別、匹配和誤差處理不能在極短的時(shí)間周期同步實(shí)現(xiàn)。

對于遙感衛(wèi)星而言，姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)不僅用于衛(wèi)星姿態(tài)的實(shí)時(shí)控制，還要作為對地觀測成像傳感器的外方位角元素，參與無地面控制點(diǎn)時(shí)地面定位的解算。由此，不難理解，遙感衛(wèi)星特別是立體成像的測繪衛(wèi)星，對姿態(tài)測量的要求遠(yuǎn)高于其他各類衛(wèi)星。

5.2 姿態(tài)分辨率定標(biāo)與評測方法

高精度星敏感器和高精度慣性測量單元的組合，是提高姿態(tài)測量分辨率的核心途徑。在600 km的衛(wèi)星軌道高度，姿態(tài)角1″(1角秒)的誤差引起地面點(diǎn)2.9 m(1 σ)的誤差，圓概率30%(CE30，近似為1 σ)計(jì)量的平面誤差則為4.1 m。如果按照國際通行圓概率90%(CE90，近似為3 σ)計(jì)量的平面誤差則為12.3 m。因此，無地面控制條件下，遙感衛(wèi)星全球測繪的三維定位絕對精度主要取決姿態(tài)測量的精度，確保遙感系統(tǒng)較高的姿態(tài)分辨率成為關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。2016年9月26日發(fā)射的美國WorldView-4衛(wèi)星軌道高度為617 km，地面點(diǎn)平面定位精度為4.5 m(CE90)，由此推算其姿態(tài)測量精度必須優(yōu)于0.36″。公開報(bào)道中，WorldView-4標(biāo)稱的綜合姿態(tài)測量精度為0.3″，與此是相符合的。

我國測繪衛(wèi)星和高分系列衛(wèi)星[13-14]，早期部分采用德國ASTRON 10星敏感器或國產(chǎn)APS星敏感器等(表1)作為衛(wèi)星平臺姿態(tài)控制的角度測量裝置，同時(shí)也作為遙感系統(tǒng)共用的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)支持遙感定位。ASTRON 10星敏感器光軸誤差≤5″(3 σ)所代表的姿態(tài)測量精度和4 Hz的測量頻率，對于衛(wèi)星平臺的姿態(tài)控制已基本滿足需要。但是，對于無控定位而言，這兩項(xiàng)代表姿態(tài)分辨率的指標(biāo)顯然是比較低的，必須采取其他措施加以改進(jìn)和補(bǔ)償。

如果不依賴地面控制點(diǎn)，測制1∶10 000和1∶50 000比例尺地形圖的平面位置精度，分別以1 m(3 σ)和5 m(3 σ)的要求簡單計(jì)算[15]，在500 km衛(wèi)星運(yùn)行軌道，姿態(tài)測量的精度應(yīng)不低于0.41″和2.5″。

ASTRON 10星敏感器基本能滿足1∶50 000測圖要求，但是，由于其輸出頻率只有2 Hz或4 Hz，按照衛(wèi)星飛行第一宇宙速度7.9 km/s計(jì)算，相鄰兩次姿態(tài)測量在0.5 s或0.25 s的時(shí)間間隔，衛(wèi)星已飛行3.95 km或1.975 km的距離。在此期間，由于衛(wèi)星平臺內(nèi)部擾動造成的“震顫”會改變遙感系統(tǒng)的姿態(tài)，必須增加姿態(tài)測量的頻率。大量的實(shí)驗(yàn)分析表明，我國現(xiàn)役“高分”遙感衛(wèi)星平臺的高頻震顫頻率基本上在500 Hz以內(nèi)[16]。為了提高姿態(tài)分辨率，在星敏感器的測量精度和頻率近期難以大幅度改進(jìn)的情況下，重點(diǎn)是提高慣性測量的頻率，以星敏感器與慣性測量單元的組合及事后的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理來改善和補(bǔ)償姿態(tài)分辨率的核心指標(biāo)[17-18]。

6 結(jié)束語

本文通過對遙感系統(tǒng)空間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率和姿態(tài)分辨率內(nèi)涵的分析，進(jìn)一步明確了各項(xiàng)分辨率指標(biāo)計(jì)量方法的差異，消除了對遙感系統(tǒng)分辨率的一些模糊認(rèn)識。在我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的研究和建設(shè)中，不同專業(yè)協(xié)同開展衛(wèi)星遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)、探討、論證精度指標(biāo)分配及遙感探測數(shù)據(jù)的應(yīng)用方面，將會在規(guī)范的專業(yè)術(shù)語、一致的理解和統(tǒng)一的指標(biāo)體系下進(jìn)行溝通和工作。借助于各項(xiàng)分辨率指標(biāo)，可以概要地、簡潔地描繪出空間遙感系統(tǒng)的能力，甚至簡化地論述對地觀測系統(tǒng)的綜合能力。分析遙感系統(tǒng)的五個分辨率指標(biāo)，可得出如下結(jié)論。

1)地面采樣間隔(GSD)只是名義空間分辨率。經(jīng)過判讀影像的地面明暗線對數(shù)后計(jì)算出的地面分辨間隔(GRD)才能反映遙感影像對地面目標(biāo)的真實(shí)分辨能力。

2)輻射分辨率與遙感影像量化等級不存在嚴(yán)格意義上的對應(yīng)關(guān)系，只有當(dāng)輻射定標(biāo)準(zhǔn)確且對輻射測量的信噪比有客觀評估，量化等級及相應(yīng)的輻射強(qiáng)度數(shù)值才能有效地描述傳感器的輻射測量能力。

3)光譜定標(biāo)和輻射定標(biāo)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，經(jīng)絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)確定像元的光譜響應(yīng)度、中心波長和譜段寬度，是涉及光譜分辨率的一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，其真實(shí)性驗(yàn)證更加重要。

4)時(shí)間分辨率內(nèi)涵豐富，不易也不宜采用單一的指標(biāo)表述，需根據(jù)遙感任務(wù)情況分門別類具體確定。

5)姿態(tài)分辨率是決定遙感定位精度的關(guān)鍵指標(biāo)，影響姿態(tài)變化的內(nèi)在機(jī)理目前并不十分清晰，仍需進(jìn)一步發(fā)展新的手段，并通過持續(xù)的測試和驗(yàn)證，逐步提升精密姿態(tài)測量的能力和水平。