薛武，王鵬，鐘靈毓

(航天工程大學(xué)，北京 101416)

0 引言

經(jīng)過(guò)“高分”專項(xiàng)的持續(xù)投入與建設(shè)，我國(guó)的對(duì)地觀測(cè)能力有了很大提升，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的諸多領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用[1]。然而，高空間分辨率和大幅寬始終是光學(xué)遙感衛(wèi)星研制時(shí)一對(duì)互相矛盾的指標(biāo)，常常難以兼顧。新型線陣擺掃式衛(wèi)星的提出有望實(shí)現(xiàn)超大幅寬與超高分辨率的兼顧，為提高對(duì)地觀測(cè)能力提供新的技術(shù)手段。

為了提高對(duì)地成像的幅寬，當(dāng)前遙感衛(wèi)星主流的寬幅成像方式包括多片CCD拼接、多相機(jī)多角度視場(chǎng)拼接、衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)下的寬覆蓋影像獲取和多星組網(wǎng)等[2]。以上方式雖然在一定程度上提高了衛(wèi)星的成像幅寬，但存在成本高、連續(xù)大范圍成像能力不足、效能提升有限等問(wèn)題，沒(méi)有從根本上解決分辨率與幅寬之間的矛盾。

隨著衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)和姿態(tài)控制技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，將線陣CCD沿衛(wèi)星飛行方向安置，相機(jī)鏡頭繞飛行方向360°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中完成對(duì)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(wèi)星的成像基本原理(圖1(a))。為滿足立體測(cè)繪、三維重建等需求，衛(wèi)星上可以配置雙相機(jī)，兩個(gè)相機(jī)夾角180°，交替對(duì)地成像，其中一個(gè)相機(jī)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(cè)量交會(huì)條件立體影像(圖1(b))[3]。線陣擺掃成像方式實(shí)現(xiàn)了米級(jí)分辨率與千公里幅寬的兼顧，可大大提高衛(wèi)星影像的時(shí)效性，為高分辨率光學(xué)衛(wèi)星寬幅對(duì)地觀測(cè)提供了一種全新的思路和解決途徑，為國(guó)土資源調(diào)查、自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、目標(biāo)監(jiān)視、測(cè)繪制圖等諸多領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)遙感數(shù)據(jù)。

圖1 線陣擺掃式衛(wèi)星影像成像及立體影像獲取示意圖

線陣擺掃式衛(wèi)星影像能夠通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)雙相機(jī)獲取的立體像對(duì)前方交會(huì)對(duì)地定位，還可以通過(guò)多景影像空三加密實(shí)現(xiàn)高精度地理定位，其理論基礎(chǔ)與線陣推掃式衛(wèi)星影像基本相同。但由于成像方式差異較大，擺掃式衛(wèi)星影像幾何處理難度較大，現(xiàn)有處理理論和技術(shù)方法存在諸多不適應(yīng)性，需要發(fā)展相應(yīng)的理論和技術(shù)方法。

本文在對(duì)線陣擺掃衛(wèi)星成像原理和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)其幾何處理的難點(diǎn)進(jìn)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(jìn)行分析。

1 新型超寬幅衛(wèi)星介紹

1.1 成像原理

超寬幅衛(wèi)星將多條線陣CCD沿飛行方向進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)沿軌方向成像范圍的增大，如圖2(a)所示，同時(shí)相機(jī)在垂軌方向上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描成像，如圖2(b)所示?！把剀壠唇樱管墥呙琛钡某上穹绞綐O大地拓展了光學(xué)遙感衛(wèi)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(diǎn)向邊緣逐漸降低，成像角度也由垂直對(duì)地觀測(cè)漸變?yōu)閭?cè)視成像，邊緣處由于大傾角成像導(dǎo)致的地物幾何畸變十分嚴(yán)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(lái)很大挑戰(zhàn)。

圖2 線陣擺掃衛(wèi)星成像示意圖

1.2 可視化分析

為了更加直觀說(shuō)明超寬幅衛(wèi)星影像成像能力，筆者團(tuán)隊(duì)研制了超寬幅衛(wèi)星影像模擬軟件，該軟件可以對(duì)衛(wèi)星成像過(guò)程進(jìn)行可視化仿真，并利用數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型計(jì)算輸出模擬影像。利用該軟件將衛(wèi)星經(jīng)過(guò)中國(guó)上空時(shí)某一景影像的地面覆蓋情況進(jìn)行了模擬，主要模擬參數(shù)如圖3所示，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 影像模擬主要參數(shù)設(shè)置

圖4 影像覆蓋范圍示意圖

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

1.3 應(yīng)用前景

超寬幅光學(xué)遙感衛(wèi)星可以快速獲取大范圍高分辨率的態(tài)勢(shì)信息，在國(guó)土資源普查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)以及大范圍地形快速三維重建等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

2 超寬幅衛(wèi)星影像幾何處理難點(diǎn)分析

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

一是環(huán)掃式衛(wèi)星影像具有超大幅寬，給地面定標(biāo)場(chǎng)的建設(shè)帶來(lái)了困難。大多數(shù)測(cè)繪衛(wèi)星為了提高地面分辨率，視場(chǎng)角較小，幅寬通常只有幾十公里，而線陣擺掃式衛(wèi)星幅寬可以達(dá)到數(shù)千公里。目前國(guó)內(nèi)外已有的衛(wèi)星定標(biāo)場(chǎng)均不能滿足如此大幅寬的需求，尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒[4-8]。

二是影像分辨率的變化不容忽視。三線陣測(cè)繪衛(wèi)星為滿足攝影測(cè)量的技術(shù)要求，前視、下視、后視相機(jī)的分辨率盡量保持一致。而線陣擺掃衛(wèi)星垂軌擺掃成像導(dǎo)致星下點(diǎn)影像分辨率與影像邊緣的差別最大可達(dá)五倍。分辨率的差異對(duì)于影像匹配、地面控制點(diǎn)設(shè)計(jì)與識(shí)別等均有影響，在幾何定標(biāo)時(shí)必須予以考慮。

三是線陣環(huán)掃式衛(wèi)星影像的姿態(tài)測(cè)量精度較低。為測(cè)量平臺(tái)和載荷的姿態(tài)，衛(wèi)星平臺(tái)和相機(jī)上均配置有星敏感器，相機(jī)姿態(tài)的確定可以通過(guò)兩種方式：一是通過(guò)平臺(tái)上的高精度星敏測(cè)定姿態(tài)然后經(jīng)過(guò)關(guān)節(jié)測(cè)量傳遞得到相機(jī)的姿態(tài)；二是通過(guò)與相機(jī)固連的高動(dòng)態(tài)星敏感器測(cè)量解算相機(jī)姿態(tài)。第一種方式關(guān)節(jié)測(cè)量的精度較低，第二種方式高動(dòng)態(tài)星敏的精度較低，由此導(dǎo)致影像姿態(tài)測(cè)量精度較低，有20″左右，與測(cè)繪衛(wèi)星有較大差距，對(duì)地定位精度難以保證。

四是現(xiàn)有描述影像外方位元素的數(shù)學(xué)模型不再適用。線陣擺掃的特殊成像方式導(dǎo)致已有的低階多項(xiàng)式模型、分段多項(xiàng)式模型、定向片內(nèi)插模型等對(duì)于外方位元素建模不再適用，需要根據(jù)擺掃成像過(guò)程中線元素和角元素的特殊變化規(guī)律建立新的模型。

五是活動(dòng)部件多，有效載荷受震動(dòng)影響比較明顯。由于相機(jī)以360°旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)垂軌擺掃成像，衛(wèi)星平臺(tái)、關(guān)節(jié)及載荷活動(dòng)部件多，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中震動(dòng)較大，相機(jī)主距、CCD安置關(guān)系等將會(huì)受到影響，在定標(biāo)時(shí)必須予以考慮。

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

3 初步解決思路

針對(duì)線陣環(huán)掃衛(wèi)星影像幾何處理的難點(diǎn)，借鑒現(xiàn)有航天攝影測(cè)量的理論技術(shù)方法，提出如下初步解決思路。

1)線陣擺掃式衛(wèi)星影像成像模型構(gòu)建。針對(duì)新型線陣擺掃式衛(wèi)星的成像特點(diǎn)，分別構(gòu)建嚴(yán)密成像模型和有理函數(shù)模型。對(duì)照線陣推掃式影像成像模型，在分析擺掃成像的特點(diǎn)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系的基礎(chǔ)上構(gòu)建嚴(yán)密成像模型。根據(jù)嚴(yán)密成像模型，構(gòu)建線陣擺掃式衛(wèi)星的有理函數(shù)模型，初步技術(shù)方案如圖5所示[9]。

圖5 成像模型構(gòu)建技術(shù)方案

2)線陣擺掃式衛(wèi)星影像定位誤差全鏈路溯源建模與分析。按照“有測(cè)量就會(huì)有誤差”“有誤差就要分析建?！钡乃悸?，需要對(duì)成像過(guò)程中涉及到的天、星、地全鏈路誤差進(jìn)行分析與建模，全面梳理各類誤差源。按照誤差特性對(duì)各類誤差進(jìn)行分類，分析不同誤差之間的耦合性，并對(duì)各類誤差的影響大小進(jìn)行定量評(píng)估，對(duì)幾何定標(biāo)時(shí)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(shù)方案如圖6所示，方案涵蓋成像全過(guò)程中主要的誤差來(lái)源，在理論研究的基礎(chǔ)上結(jié)合衛(wèi)星載荷與平臺(tái)的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)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(wèi)星影像定位精度預(yù)先評(píng)估。在誤差溯源與分析的基礎(chǔ)上，從理論研究和仿真實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)線陣擺掃式衛(wèi)星的定位精度進(jìn)行評(píng)估。理論研究主要是根據(jù)誤差傳播模型，開展線陣擺掃式衛(wèi)星影像幾何精度的定量分析和評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)并提出不同控制條件下的擺掃式立體衛(wèi)星影像平面和高程精度估算模型和方法。仿真實(shí)驗(yàn)主要是利用模擬影像和地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)定位精度進(jìn)行定量化評(píng)估，并與理論研究結(jié)果對(duì)比分析，仿真實(shí)驗(yàn)的初步技術(shù)方案如圖7所示[12-16]。

圖7 線陣影像定位精度評(píng)價(jià)方案

4)線陣擺掃式衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)方案設(shè)計(jì)。在成像模型構(gòu)建、誤差全鏈路溯源建模與分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)線陣擺掃式衛(wèi)星在軌幾何定標(biāo)的初步方案，依據(jù)成像模型和誤差來(lái)源確定幾何定標(biāo)主要內(nèi)容，根據(jù)誤差隨機(jī)特性和相互之間的耦合特性確定定標(biāo)步驟，根據(jù)參數(shù)之間的相關(guān)性研究穩(wěn)健的定標(biāo)方案，最后提出定標(biāo)精度的評(píng)價(jià)方案。在軌幾何定標(biāo)的初步技術(shù)方案如圖8所示[17-22]。

圖8 幾何定標(biāo)方案

4 超寬幅衛(wèi)星影像模擬實(shí)驗(yàn)與分析

為分析超寬幅衛(wèi)星影像的特點(diǎn)，利用超寬幅衛(wèi)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(shù)據(jù)均為開源渠道下載，選取了中國(guó)河南某地區(qū)作為星下點(diǎn)，遴選了不同數(shù)據(jù)源、不同分辨率(0.5 m、1 m、2 m、4 m、10 m)的光學(xué)遙感影像，覆蓋面積為4 000×250 km2，DEM采用SRTM 90 m地形數(shù)據(jù)。

利用模擬軟件分別生成了實(shí)驗(yàn)區(qū)域下視相機(jī)和前視相機(jī)的模擬影像，如圖9、圖10所示。影像幾何關(guān)系嚴(yán)密、細(xì)節(jié)清晰、色調(diào)均勻、置信度較高，可以用于后續(xù)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(cè)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(huì)出現(xiàn)邊緣的圓弧狀效果。同樣的原因，由于前視成像時(shí)靠近星下點(diǎn)一側(cè)的CCD探元掃描到地球邊緣的物距要小于另一側(cè)CCD探元掃描到地球邊緣的物距，因此，該側(cè)影像比起星下點(diǎn)一側(cè)呈現(xiàn)向中間收縮的效果。

圖9 下視相機(jī)模擬影像

圖10 前視相機(jī)模擬影像

前視相機(jī)和下視相機(jī)模擬影像的局部細(xì)節(jié)如圖11所示，超大幅寬衛(wèi)星相機(jī)的立體構(gòu)建模式類似于異軌立體成像，因此影像變形主要體現(xiàn)在列坐標(biāo)方向。

圖11 下視相機(jī)和前視相機(jī)模擬影像局部

圖12是星下點(diǎn)的正視與前視影像構(gòu)成的核線立體影像，可以佩戴紅藍(lán)立體眼鏡觀測(cè)地形起伏效果。星下點(diǎn)部分的立體影像制作與傳統(tǒng)的核線立體影像制作原理一樣。但遠(yuǎn)離星下點(diǎn)的影像部分由于視角、地形等客觀因素及傳統(tǒng)RPC計(jì)算方法的局限性，其立體產(chǎn)品生產(chǎn)方法仍需進(jìn)一步研究。

圖12 模擬立體影像經(jīng)核線重排效果(紅藍(lán)立體)

5 結(jié)束語(yǔ)

超大幅寬和高分辨率是遙感工作者始終不懈追求的目標(biāo)，新型線陣環(huán)掃式衛(wèi)星概念的提出為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能。本文在對(duì)超寬幅衛(wèi)星影像成像原理進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，分析了其幾何處理的難點(diǎn)，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(jī)和前視相機(jī)模擬影像，可用于幾何處理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。本文的理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為衛(wèi)星研制部門指標(biāo)論證和分析提供參考，也可作為衛(wèi)星地面系統(tǒng)研制的技術(shù)參考。

光學(xué)遙感衛(wèi)星處于快速發(fā)展中，新型傳感器、新成像方式不斷涌現(xiàn)，衛(wèi)星影像幾何處理也要與時(shí)俱進(jìn)，在解決工程技術(shù)問(wèn)題的過(guò)程中注重理論創(chuàng)新。