高分辨率地球同步轨道卫星凝视成像基本模式研究

王殿中 （北京空间机电研究所）

当前，遥感卫星普遍采用太阳同步轨道观测方式，其中30m分辨率的环境卫星相机采用双星组网观测，重复观测最短周期需要2天，米级/亚米级分辨率商业卫星即使采用多星组网观测，多数情况下重复观测最短周期也要1天左右。然而，由于地球同步轨道凝视成像技术实现重复观测最短周期主要取决于成像时的光电转换和信号读出过程，可以以秒计，所以在应对地震、台风、火情、汛情等诸多紧急事件中，优势极为明显。据报道，中国计划发射的高分－4卫星是地球同步轨道上的光学遥感卫星，光学分辨率为50m，将成为现有太阳同步轨道对地观测体系的重要补充。为了用好该卫星，从天地一体充分挖掘遥感图像信息的角度出发，现对地球同步轨道卫星在轨凝视成像模式有关问题进行分析。

1 在轨工作模式分析

首先，为了充分发挥高分－4卫星所具有的极高时间分辨率的优势，在轨运行应尽可能以凝视方式对目标连续成像，并确定一种基本成像模式，以使数据基准具有连续性，增加数据间的可比性。基本模式的确定需要具体分析载荷特性，对于获取常规的全色、多光谱5个谱段数据而言，有多种连续模式可以考虑。为了分析方便，以下假定可见光谱段帧频为5s，相邻谱段间切换用时为10s，并用B1～B5分别标记全色、蓝、绿、红和近红外谱段。

第一种模式是采用单谱段连续成像，帧频5s，50m的空间分辨率预计能够捕捉10m/s以上的快速变化，不涉及频段切换，光谱信息单一。

第二种模式是采用5谱段循环模式成像，B1谱段帧频5s，用时10s切换到B2谱段成像，帧频5s，再切换，依此类推，全部5个谱段成像1次到复原需要75s，平均帧频15s，时间分辨率大为降低，捕捉快速变化的能力也相应下降。

第三种模式是采用N次连拍再切换谱段的模式成像，B1谱段帧频5s，连拍N次用时5N秒，用时10s切换到B2谱段，连拍N次用时5N秒，依此类推，完成1次5个谱段循环成像复原需要（25N+50）秒，平均帧频（5+10/N）秒。当N趋近于无穷大时，与第一种模式相同，而当N趋近于1时，与第二种模式相同。可知，第三种模式是第一种模式和第二种模式的折中模式，在保证获取完整光谱信息的同时可以保持较高的时间分辨率，数据获取效果最好。

2 地面处理潜力分析

从地面处理阶段考虑，采用上述模式成像，对于改善图像质量也将有实际的意义。

辐射质量提升

太阳同步轨道观测面临的一个难题就是为了兼顾云、雪等高亮度目标不饱和，通常要将信号饱和值设置得很高。相应的，地面大量地物被压缩在图像灰度值低端，实际获取的辐射信息极为有限。但如果采用第三种模式，即便原始图像只采用8bit量化，短时间内获取的N帧图像经过直接叠加，可以合成为（8+log2N）bit图像，理论上可以将实际获取图像动态范围提高N倍。但需要说明的是，为了避免量化位数存在占空现象，log2N最好是整数，因此N取值范围应为2、4、8、16…。

5景图像对比

对应5景图像统计的动态范围和峰值像元数

改善图像空间分辨率效果图

从叠加后的图像灰度动态范围可以看出，其比原始图像平均灰度动态范围提高了3.94倍，接近于理论值4。叠加后峰值像元数大为减少，从平均35个降低到15个，降幅超过1倍。从像元灰度分布情况来看，像元在各灰度上分布更加均匀。从图像的目视效果来看，图像亮度、目标对比度均明显增强，图像辐射质量得到显著改善。

几何质量提升

增加采样数对于改善图像空间分辨率同样具有重要意义。已有研究表明，连续成像的多帧图像之间会存在微小错位，从这些差异信息中可以反推出更多细节信息，空间分辨率最多可以提高1倍。因此，分辨率为50m的卫星图像经过处理，理论上可以达到25m分辨率。

从增加可选用数据的角度来讲，上面提及的N种选择中：

1）log2N取值为1时，每个谱段成像2次，用时10s，切换用时10s，5个谱段循环1次合计用时50s，数据量2G。每个谱段由于只有2次成像，仅能满足超分处理输入图像数量的最低要求，支撑分辨率提升的信息偏少。

2）log2N取值为2时，每个谱段成像4次，用时20s，切换用时10s，5个谱段循环1次合计用时150s，数据量4G。

3）log2N取值为3时，每个谱段成像8次，用时40s，切换用时10s，5个谱段循环1次合计用时250s，数据量8G。与已知的高分－2卫星融合图像数据量（6G）相当，对应用于处理环节的软硬件要求提高不多。

4）log2N取值为4或4以上时，1个周期内每谱段成像数量大大增加，但各谱段间成像时间间隔将超过1min，对于短时间应急观测而言，观测对象空间移位现象可能已经比较显著，不利于谱段间融合分析。

3 总结和建议

综上所述，从天地一体充分挖掘遥感图像信息的角度出发，建议地球同步轨道卫星凝视成像采用5谱段间循环4连拍或8连拍作为基本观测模式，不仅在数据获取阶段可以实现高时间分辨率与多光谱观测的较好结合，还具有改善图像辐射质量与几何质量的潜力，可以为地面处理技术发展提供新的机会，综合最优。