田瑜基

高分衛(wèi)星在測繪中的應(yīng)用展望

田瑜基

（廈門精圖信息技術(shù)有限公司，福建 廈門 361008）

測繪是建設(shè)地理空間信息數(shù)字框架的基礎(chǔ)，各國都將地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)作為重中之重。歐美多國在20世紀(jì)就已經(jīng)掌握測繪衛(wèi)星研制技術(shù)，中國也已經(jīng)建立了對地觀測體系。高分辨率影像獲取技術(shù)正在逐步取代測繪中很多應(yīng)用，中國測繪衛(wèi)星的研制能力和應(yīng)用水平尚需不斷提高，以滿足國家對基礎(chǔ)地理信息的需求。

測繪；遙感技術(shù)；國土資源；影像獲取

1 引言

測繪即對地理要素或人工設(shè)施進(jìn)行空間位置和形狀尺寸的測定、表述及其數(shù)據(jù)的處理。測繪是建設(shè)地理空間信息數(shù)字框架的基礎(chǔ)，人類活動(dòng)中涉及到全局性或戰(zhàn)略性的事件，大部分都與地理空間信息相關(guān)[1]。因?yàn)榈乩砜臻g信息是圍繞方位的基礎(chǔ)信息，涉及到國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，所以各國都將地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建設(shè)作為重中之重。

現(xiàn)在測繪方法是以計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以遙感技術(shù)和定位技術(shù)為核心的新型技術(shù)體系。衛(wèi)星測繪已經(jīng)成為現(xiàn)代地理空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，衛(wèi)星測繪可實(shí)時(shí)采集地理信息，獲取高分辨率影像。高分衛(wèi)星作為遙感衛(wèi)星的代表，是推動(dòng)空間地理信息化的主要力量，正在對中國測繪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

歐美多國在20世紀(jì)就已經(jīng)掌握測繪衛(wèi)星研制技術(shù)，目前亞洲的日本、印度、泰國也都擁有本國測繪衛(wèi)星，并且印度的測繪衛(wèi)星為分辨率2.5 m的高分辨測繪衛(wèi)星。高影像分辨率和高空間分辨率傳感器不斷應(yīng)用到測繪衛(wèi)星上，目前世界上最高分辨的測繪衛(wèi)星GeoEye系列衛(wèi)星由美國研制[2]。除了光學(xué)測繪衛(wèi)星外，其他新型的測繪衛(wèi)星也在不斷涌現(xiàn)，比如激光測繪衛(wèi)星、重力衛(wèi)星、干涉雷達(dá)衛(wèi)星等。

目前，中國也已經(jīng)建立了對地觀測體系，包含資源、海洋、氣象等多種衛(wèi)星，在國土資源和防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。中國自主研發(fā)的高分辨率測繪衛(wèi)星資源三號，配備了分辨率2.5 m的全色相機(jī)，在國土資源信息詳查和自然資源調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。中國仍屬于發(fā)展中國家，測繪衛(wèi)星的星系運(yùn)作能力與國際先進(jìn)技術(shù)仍存在一定差距，測繪部門對地理信息有著迫切需求，必須大力發(fā)展自主測繪衛(wèi)星的研制。

3 高分辨率技術(shù)優(yōu)勢

測繪技術(shù)正在多樣化，無論是全球衛(wèi)星定位測繪技術(shù)，還是數(shù)字遙感影像技術(shù)，高分辨率影像獲取技術(shù)正在逐步取代測繪中的很多應(yīng)用。中國早期的遙感影像技術(shù)存在很多不足，在測量幾何圖形和測量范圍的能力有限，高分辨率技術(shù)的發(fā)展彌補(bǔ)了這些不足。高分辨率技術(shù)的精準(zhǔn)性在測繪領(lǐng)域的前景可觀，高分辨率影像可以充分展示地表物體的細(xì)節(jié)特征，便于識別和提取。高分辨率影像有很強(qiáng)的高程信息功能，可以提取出更高精度的高程信息[3-4]。目前，衛(wèi)星影像的地表分辨率正在快速提高，由前些年的10 m、5 m，已經(jīng)提高到近幾年的2 m、1 m、0.6 m等。

高分辨率技術(shù)的優(yōu)勢在于地物紋理信息豐富，紋理信息是指物體表面的規(guī)律性結(jié)構(gòu)組織或排列屬性，這種結(jié)構(gòu)組織具有不斷重復(fù)和非隨機(jī)排列的特點(diǎn)，在紋理區(qū)域內(nèi)均勻統(tǒng)一。地物紋理信息描述了影像中目標(biāo)監(jiān)測物的表面性質(zhì)，能夠體現(xiàn)全局特征性質(zhì)信息。

高分辨率技術(shù)的優(yōu)勢還在于成像光譜波段多，成像光譜是相機(jī)在獲取地表目標(biāo)影像的同時(shí)，同時(shí)能夠獲取反映目標(biāo)的連續(xù)和光滑的光譜曲線。光譜成像是利用物質(zhì)對不同波段電磁波的吸收或輻射特性，在普通的平面成像基礎(chǔ)上，增加一組光譜信息。因?yàn)榈乇砟繕?biāo)物體的成分不同，所以，對應(yīng)的光譜也有區(qū)別。

高分辨率技術(shù)的優(yōu)勢還在于重訪時(shí)間短，高分辨率衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)側(cè)擺拍攝，能夠更快回訪同一地表目標(biāo)所在區(qū)域。衛(wèi)星在運(yùn)行在各自的軌道中，重訪拍攝是為了監(jiān)測地表目標(biāo)物體在短時(shí)間內(nèi)的變化。高分辨率衛(wèi)星的側(cè)擺拍攝優(yōu)勢使得其重訪時(shí)間較短，對于短時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)物體變化情況監(jiān)測效果較好。假如采用普通衛(wèi)星進(jìn)行重訪，通常需要調(diào)用其他多顆衛(wèi)星進(jìn)行配合，并且由于天氣變化因素，24 h內(nèi)的重訪很難實(shí)現(xiàn)。

4 高分衛(wèi)星的測繪應(yīng)用

經(jīng)過了10多年的快速發(fā)展，中國已經(jīng)形成了國產(chǎn)高分辨率觀測體系，包括高分一號、高分二號、高分三號雷達(dá)衛(wèi)星、高分四號靜止軌道衛(wèi)星、高分五號高光譜衛(wèi)星、高分六號、高分七號、環(huán)境系列衛(wèi)星、天繪衛(wèi)星、實(shí)踐九號、資源系列衛(wèi)星、高景一號衛(wèi)星等[5]。測繪衛(wèi)星的類型如圖1所示。

圖1 測繪衛(wèi)星的類型圖

太原發(fā)射中心在2019-11用長征四號運(yùn)載火箭將高分七號衛(wèi)星發(fā)射入軌，高分七號衛(wèi)星自按照規(guī)劃開展服務(wù)后運(yùn)行平穩(wěn)，高分影像獲取能力優(yōu)秀，載荷工作運(yùn)轉(zhuǎn)良好。高分七號衛(wèi)星是一顆高分辨率國土測繪衛(wèi)星，是高分專項(xiàng)工程中的重要衛(wèi)星之一，是中國首顆民用亞米級的高分辨率測繪衛(wèi)星。以往高分衛(wèi)星的最大比例尺為1∶50 000，高分七號衛(wèi)星立體測繪比例尺達(dá)1∶10 000，較前者的測繪能力有顯著提高，高分七號衛(wèi)星的載荷指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 高分七號衛(wèi)星載荷指標(biāo)參數(shù)

項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)名稱參數(shù) 雙線陣相機(jī)前視相機(jī)傾角+26° 后視相機(jī)傾角﹣5° 星下點(diǎn)地面像元分辨率全色≤0.8 m 多光譜≤3.2 m 幅寬≥20 km 譜段全色0.45～0.9 μm 多光譜0.45～0.52 μm 多光譜0.52～0.59 μm 多光譜0.63～0.69 μm 多光譜0.77～0.89 μm 靜態(tài)MTF≥0.18 信噪比≥48 dB（太陽高度角70°，地物反射率0.65） ≥23 dB（太陽高度角20°，地物反射率0.05） 影像量化位數(shù)11 bits 實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)不確定度絕對定標(biāo)≤7% 相對定標(biāo)≤3% 激光測高儀激光波束2個(gè) 激光工作波長1.064 μm 激光地面足印≤60 μrad 激光重復(fù)頻率≥3 Hz 距離測量精度≤0.3 m

高分七號衛(wèi)星配備了雙線陣相機(jī)和激光測高儀器，雙線陣相機(jī)用來獲取地表監(jiān)測目標(biāo)的重疊影像，用于制作立體影像；激光測高儀器配備有波長1 064 nm的激光光束，適合用于地形復(fù)雜的地表測繪，目前高程定位精度尚需進(jìn)一步提高。高分七號衛(wèi)星與之前的測繪衛(wèi)星相比，其先進(jìn)點(diǎn)在于地表建筑物或山脈，在測繪地圖上不再是多個(gè)方格，而是立體的真實(shí)模型。

2012年中國第一顆民用高分辨率測繪衛(wèi)星資源三號升空，資源三號上配備了四臺(tái)不同功能的相機(jī)，用于獲取三線陣立體影像，包括一臺(tái)分辨率2 m的全色相機(jī)，兩臺(tái)分辨率3.5 m的全色相機(jī)和一臺(tái)分辨率5.8 m的多光譜相機(jī)。雖然資源三號已經(jīng)具備覆蓋全國的高分影像數(shù)據(jù)獲取能力，但是其主要用于進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的地表數(shù)據(jù)獲取。高分七號衛(wèi)星載荷配備相當(dāng)于是資源三號衛(wèi)星的升級，資源三號衛(wèi)星已經(jīng)能夠繪制1∶50 000比例尺地圖，而高分七號衛(wèi)星可以繪制1∶10 000比例尺地圖。

5 結(jié)論

目前，中國正處于高分衛(wèi)星測繪事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵階段，機(jī)遇和挑戰(zhàn)都是前所未有。測繪是高分衛(wèi)星應(yīng)用的重要領(lǐng)域，信息化測繪體系正在積極建設(shè)，同時(shí)數(shù)字中國地理空間框架也在迅速開展。當(dāng)前中國是航天大國而非航天強(qiáng)國的國情仍未改變，測繪衛(wèi)星的研制能力和應(yīng)用水平尚需不斷提高，以滿足國家對基礎(chǔ)地理信息的需求。測繪局專門成立了衛(wèi)星測繪應(yīng)用中心，航天測繪行業(yè)正在積極深入的進(jìn)行高分衛(wèi)星測繪技術(shù)的攻關(guān)，為國土資源和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供準(zhǔn)確可靠的測繪數(shù)據(jù)和服務(wù)。

［1］孫承志，唐新明，翟亮.中國測繪衛(wèi)星的發(fā)展思路和應(yīng)用展望［J］.測繪科學(xué)，2009，34（2）：5-7.

［2］唐新明，叢楠.中國測繪衛(wèi)星現(xiàn)狀與發(fā)展思考［J］.地理信息世界，2011，9（2）：40-44.

［3］司傳波，齊睿，王豪.高分辨率遙感影像技術(shù)在測繪中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2016（30）：167.

［4］唐新明，高小明.中國測繪衛(wèi)星和衛(wèi)星測繪“十二五”發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.測繪通報(bào)，2012（10）：1-4.

［5］胡芬，高小明.面向測繪應(yīng)用的遙感小衛(wèi)星發(fā)展趨勢分析［J］.測繪科學(xué)，2019，44（1）：132-138.

V448.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.070

2095－6835（2020）22－0160－02

田瑜基（1986—），女，福建廈門人，碩士研究生，2013-07-01畢業(yè)于上海海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)信息化專業(yè)，中級測繪工程師，主要從事測繪、GIS和信息化技術(shù)研究工作。

〔編輯：張思楠〕