遥感视频卫星应用展望

袁益琴， 何国金， 江 威， 王桂周

(1.中国科学院遥感与数字地球研究所，北京 100094； 2.中国科学院大学，北京 100049； 3.海南省地球观测重点实验室，三亚 572000)

0 引言

伴随着遥感技术的快速发展，空间对地观测数据获取能力不断提升，陆地观测卫星的成像时间分辨率不断缩短，但单星模式高分辨率卫星的重访仍需要2～5 d，即使轻小型卫星组建的星座缩短了重返周期，也难以满足对遥感特定目标进行实时观测的需求[1-2]。视频卫星的出现将时间分辨率提升到秒级，在大型商业区车辆实时监测、自然灾害应急快速响应、重大工程监控和军事安全等领域具有重要应用潜力，是未来遥感商业发展的重要方向[3-5]。

1 视频卫星国内外发展现状

目前，国内外已发射了数颗可进行视频拍摄的低轨小卫星，其发射时间与主要技术指标见表1。2007年印度尼西亚发射了“印度尼西亚国家航空航天研究所-柏林技术大学卫星”(LAPAN-TUBSAT)[6]。2009年南非也发射了与LAPAN-TUBSAT类似的Sumbandliasat视频小卫星[6]。2010年2月11日，NASA发射了太阳动态观测卫星(SDO)，该卫星可每天24小时对太阳观测并拍摄有关太阳的4K超高清全彩视频[7]。Skybox公司于2013年和2014年分别发射了SkySat-1与SkySat-2，这两颗卫星都可拍摄米级分辨率的黑白视频。2014年1月，UrtheCast公司将名为“伊里丝”(Iris)的高分辨率虹膜相机送往“国际空间站”并成功安装，可对地球进行分辨率为1 m的4K超高清全彩(UHD)视频拍摄[8]。2014年2月，萨里卫星技术美国(SSTUS)公司公布了“萨里-V1C”(Surrey-V1C)彩色视频成像卫星产品[3]。在国内，2014年9月由中国国防科技大学研制的试验卫星“天拓二号”发射升空，可拍摄5 m分辨率的黑白视频[9]。2015年10月，中国长光卫星公司发射“吉林一号”，该卫星可拍摄米级分辨率的全彩视频[10]。

表1 视频卫星的主要技术指标[11]Tab.1 Major Technical Parameters of video satellites[11]

从表1可以得出，目前以国外发射的商业视频小卫星为主，中国商业视频卫星紧跟国外发展； 从影像质量来看，Skybox公司和Urthecast公司发射的视频卫星成像质量较好。Skybox公司发射的SkySat-1和SkySat-2、Urthecast公司的视频卫星和长光卫星公司的“吉林一号”代表了国内外视频卫星发展的前沿水平。下文分别介绍这3个公司发射的视频卫星的参数。

1.1 SkySat-1和SkySat-2卫星

SkySat卫星的主要技术指标见表2[14]。SkySat-1卫星是由Skybox Imaging公司于2013年11月13日发射的民用对地观测卫星，是世界首颗亚米级视频卫星； SkySat-2卫星于2014年7月8日从拜科努尔发射升空[12]，该卫星与SkySat-1相比多了肼推进系统，以完成轨道控制[13]。这2颗卫星能在俯仰、滚动和偏航3个方向进行侧摆机动，实现了“凝视”对地观测，互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconducto，CMOS)探测器具有前后左右4个方向的自由度[4]，配合平台的3个自由度，实现图像的运动补偿，可以以30帧/s的速率连续捕获90 s的稳定的MP4格式的全高清视频，也具备捕捉最高质量的彩色图像和分辨率优于1 m的可见光和近红外图像的能力。未来Skybox公司将部署24颗小卫星构成的对地观测星座，具备每天8次的重访能力。

表2 Skysat卫星的主要技术指标[14]Tab.2 Major Technical Parameters of Skysat[14]

1.2 UrtheCast卫星

2014年1月，加拿大卫星初创企业UrtheCast公司将名为“伊里丝”(Iris)的高分辨率虹膜相机运往“国际空间站”并成功安装，该相机可拍摄4 K超高清全彩视频[3]，是全球第一个航天全彩色视频相机，相机的主要技术指标见表3。由Iris相机采集的视频为未经压缩的格式，通过无线传输到地面上多个服务器中。该公司于2015年6月在网上发布了首个从国际空间站拍摄的高清全彩视频[13]。2017年，UrtheCast公司计划在“国际空间站”的宁静号节点舱上安装遥感相机和雷达成像载荷[13]。

表3 UrtheCast卫星的“Iris”相机主要技术指标Tab.3 Major Technical Parameters of Iris of Urthecast

1.3 吉林一号卫星

“吉林一号”由我国长光卫星公司于2015年10月7日在酒泉卫星发射中心以一箭四星的模式一次发射，由4颗小卫星组成[10]。 “吉林一号”商业卫星组星的轨道为约650 km的太阳同步轨道，包括一颗光学遥感卫星、两颗地面像元分辨率为1.12 m的灵巧成像视频卫星和一颗技术验证卫星[10]。其主要技术参数见表4[14]。视频星主要验证高分辨率视频成像技术，可为用户提供遥感视频新体验，是北美以外地区第一个航天全彩色视频相机。

表4 “吉林一号”视频星的主要技术指标Tab.4 Major Technical Parameters of Jilin-1

目前“吉林一号”已发射4颗卫星，计划到2030年将实现138颗卫星组网，形成全球任意点10 min以内的观测能力，届时有望提供全球最高时间分辨率和空间分辨率的遥感数据[15]。

2 光学遥感视频卫星成像原理

光学遥感视频卫星有图像和视频2种成像模式[14]。图像模式多应用于传统对地观测遥感成像中，即推扫成像模式，如图1所示。图1(a)是场景像素组成的阵列； 图1(b)表示由探测杆组成的用以收集地面辐射信息的焦平面线性阵列遥感器。阵列中每根探测杆由若干CCD原件呈一字排列，沿扫描线收集某一波段的地面辐射信息，均为沿星下点轨迹进行成像，如图1(c)所示。图像模式的视频卫星不需要调整卫星姿态俯仰姿态，其成像范围限制于卫星遥感器视场。卫星在相同的轨道高度下，光学载荷的视场越大，其分辨率越低； 视场越小，其分辨率越高[16]。高分辨率图像通常覆盖的幅宽很小，对同一目标地区的重访周期很长[16]。

(a) 场景像素阵列 (b) 探测器阵列 (c) 推扫成像模式[16]

图1推扫成像模式示意图

Fig.1SketchmapofPush-broomimagingmode

视频模式是光学视频卫星的主要模式，即滚扫式传感器焦平面成像模式。视频模式多应用于低轨敏捷卫星对地观测遥感成像中。传统低轨敏捷卫星通过多条带的拼接方式，进行大范围的侧摆和俯仰成像，实现地面大范围覆盖[17]。航天东方红卫星有限公司提出的应用在“吉林一号”卫星上的“机动中成像技术”，卫星可适时地通过调整姿态，实现斜条带、曲线条带等成像模式[17]。

采用视频模式的视频卫星沿着其运动轨迹，可通过卫星姿态的快速调整，实现侧摆角度范围内的成像，控制光学遥感器盯住地球上的某一目标区域，利用面阵探测器对其进行连续高帧频凝视成像观测[6]，同时实现了高空间分辨率和高时间分辨率成像，如图2所示。由于视频卫星使用的是面阵传感器，为了保证其光学遥感器的光轴始终对准地面目标区域，卫星姿态控制系统需要实时调整卫星的姿态。理论上低轨卫星平台的敏捷调整能力需要达到卫星运行速度的1%以上，才可以克服卫星的轨道运动、姿态运动和地球自转带来的目标区域不断偏离光轴的影响[18]。通过以下相机内方位参数可以确定成像时刻遥感器的的视线方向： 全框幅面阵在焦平面上的安排、像主点在焦平面上的坐标、各彩色面阵的主距、各彩色面阵的光学畸变系数、机械臂在载体平台上的方位、相机的姿态及其精度、相机光心的位置及其精度、卫星转体的姿态及其精度等[5]。

图2 目标凝视成像示意图[6]Fig.2 Target gaze imaging[6]

低轨敏捷卫星的视频成像模式的优势在于可以利用卫星姿态的机动调整，在一定程度上解决大幅宽与高分辨率的矛盾，成像执行能力得以提高，从而在真正意义上实现了高时间分辨率和高空间分辨率。视频模式的缺点在于卫星观测角度一直在变化，其拍摄的视频无法进行几何校准与几何定位； 另外，视频卫星是通过牺牲观测的空间范围来换取高时间分辨率的。

3 视频卫星应用展望

视频卫星的出现实现了时间分辨率的大幅提升，能够持续观测地表动态变化。目前国内外学者在该方面的应用还属于探索阶段，主要集中在利用卫星视频数据进行车辆目标检测。George K等[19]使用背景差分法对Skysat-1卫星视频进行车辆检测，通过先验知识建立道路掩模，将当前帧与均值建立的背景模板之间的差值进行密度分割，车辆检测结果的完整度达到80%以上，正确度达到75%以上。Yang T等[20]利用卫星视频序列检测的车辆生成运动轨迹，计算所有像素点与车辆运动轨迹的距离，设定分割阈值提取道路掩模，结合ViBe背景模型在道路掩模区域检测运动车辆，该方法完整度达到82%左右，正确度达到35%左右。本文结合视频卫星成像原理和实际应用需求，展望视频卫星未来可在大型商业区车辆实时监测、自然灾害应急快速响应、重大工程监控和军事安全等领域应用潜力。

3.1 大型商业区车辆实时监测

大量的商业情报信息具有典型时效性。目前，遥感获取信息的能力在时间分辨率上还存在局限性，因此，遥感的时效性成为了遥感应用在现实商业和生活中的瓶颈。通过遥感的对地观测手段，可挖掘出商业活动和遥感影像的联系。视频卫星具有高时间分辨率和高空间分辨率，可对特定商业对象进行实时监测，对商业活动进行实时价值评估，从商业活动价值评估进而预测商业行为。如对商业区室外停车场车辆进行实时监测，分析该商业区停车场的车辆停放状况[21]，总结出该商业区停车场车辆的空间化规律，对车辆数量、停车场停放情况与商业区繁荣进行关联研究，进而对商业区的营业情况进行分析预测[22]。

雅典国立技术大学的George Kopsiaftis和Konstantinos Karantzalos对SkySat-1拍摄的拉斯维加斯商业区的视频影像进行了车辆目标提取。图3红框处为视频影像第51帧影像的50 m×50 m研究子区，基于背景差分法提取出左下图的背景影像，右图为提取出的259辆车辆信息[19]。从卫星视频影像中可以计算出车辆密度，图4是SkySat-1第一帧视频提取出的车辆密度图，色调越暖为交通流量密度越高的地区，色调越冷为交通流量密度越低的地区。

(a) 视频影像第51幅影像

(b) 背景影像 (c) 提取出的车辆信息

图3从SkySat-1视频影像中进行车辆提取[19]

Fig.3VehicleextractionfromSkySat-1video[19]

图4 第一帧Skysat-1视频影像提取车辆密度[19]Fig.4 Extraction of car density from first frame of Skysat-1 video[19]

3.2 自然灾害应急快速响应

在自然灾害应急快速响应方面，视频卫星可在自然灾害诱发期、灾害发生发展期、救灾与重建期进行全方位动态监测。如果遇到地震、台风、林火等突发性自然灾害以及渔船遇险等情况，视频卫星实时传回的动态观测影像能帮助救灾部门快速判断、决策。视频卫星还可以实时监视大洋环流、海面温度场的变化、鱼群的分布和迁移、污染物的运移等，有助于海洋渔业部门和环保部门采取相应的措施。未来，视频卫星的摄像机的波谱范围可扩展到红外波段，对发生火情的森林进行观测，通过温度感应，判断火灾蔓延情况和趋势，查找火源地点。

图5为高空气球搭载的摄像机拍摄的2013年9月美国北达科他州威利斯顿的红外时间序列影像，该影像为未来红外视频卫星的研制和应用提供了重要参考依据。该影像可明显识别出位于密苏里河西侧的城市中的高亮温火点。未来具有红外探测波段的视频卫星可进行热异常监测，实现对火区的实时监测，查找火源点，分析火情蔓延情况并制定相应措施[23]。

图5 2013年9月威利斯顿的红外影像[23]Fig.5 Infrared image of Williston in September 2013[23]

3.3 重大工程监控

传统遥感影像时序监测常用于城镇用地变化监测，可在提取变化图斑的基础上，赋予变化类型的属性，计算变化面积以及类型转移情况，编制不同时期的土地利用变化图及统计表； 也可用于调查城镇扩展进程及演变规律、分析城镇扩展态势。与传统遥感卫星相比，视频卫星目标观测区域小，但时效性好，可实现小区域的定点、定范围遥感监测，使其在一些重大工程领域中有着得天独厚的应用优势，可为及时了解重大工程的进展、工程建设对周边生态环境的影响等提供实时的视频信息支持。

图6(a)与图6(b)分别对2013年12月21日和2015年1月18日我国高分一号卫星(GF-1)多光谱数据进行R(3)，G(4)，B(2)波段合成的江西省定南县的矿山图。该矿区属中低山地形地貌区，地势东南高、西北低，沟谷发育。图中可见，矿区(呈不规则紫红色影像纹)在2013—2015年间有向西南方向扩张趋势。但GF-1其空间分辨率为8 m，时间分辨率为4 d，无法实时监控矿山的开采状况、尾矿库堆放面积、采石场的规模和数量等。目前最常用的Landsat系列卫星重返周期为16 d，QuickBird卫星重返周期为4～6 d，WorldView卫星重返周期为1.7 d，使用现有的光学卫星都无法满足对矿山实时监测的需要，另外云雾、雨雪等气象因素也会导致测区有效成像覆盖时间的不确定。而视频卫星可以在1秒内连续拍摄25～30帧的影像，可以全面了解矿区的开采现状和环境的动态变化状况，预测未来矿区的变化趋势，为矿管部门决策提供依据。

(a) 2013年12月21日定南县稀土矿开采图 (b) 2015年1月18日定南县稀土矿开采图

图6定南县稀土矿开采图

Fig.6MiningmapofDingnanCountyrareearthsmine

3.4 军事安全

战场态势和攻防布阵瞬息万变，需要快速、及时地提供战区的情报侦察信息。最初为了军事应用研制出了遥感卫星，后来遥感从军事专用领域扩展到了民用领域。进入21世纪后，军用遥感成像卫星“快门控制权”更为明显，只要有国家或机构对地表的任意一处场景感兴趣，就可以拍摄地球上任何一处地方的细节。高分辨率视频侦察卫星可以快速、实时、动态地监测对手的基本态势，了解其军事部署和重要军事目标的情况，提高了国家的战略侦察能力[24]。

目前军用遥感最高空间分辨率为美国的“锁眼12号”卫星达0.1 m。对于时间分辨率，则可通过采用分布式星座缩短卫星的重访周期、扩大视场宽度等手段来提高。相信，视频卫星将是未来军事应用的重要发展方向。图7为谷歌地图中也门军事区的导弹炸毁地面的凹陷，可利用视频遥感卫星影像进行实时监测。

图7 也门被导弹炸毁的地面Fig.7 The ground blown up by missile in Yemen

图8为Skysat-1拍摄的迪拜某区域的视频影像，在30 s的视频中完整地记录了一架飞机从迪拜上空飞过的过程。在军事中，视频卫星更可以对飞机、航母、港口、坦克、装甲车等具有军事意义的目标，实施实时侦查、监测或跟踪，以收集地面、海洋或空中军事目标的军事、安全情报。视频卫星在军事侦查、军事测绘、海洋监视中将发挥巨大作用[25]，可对热点地区、边境线连续监视，为边境小规模冲突处置、突发性群体事件处置提供参考依据。

4 结论

视频卫星的发展是技术进步推动和应用需求牵引的结果，也是未来对地观测的重要发展趋势。对于一个特定区域或应用，采用一颗视频卫星代替卫星组网，可降低成本、提升应急响应的速度，其优势在逐步显现。人类对空间信息时效性的需求越来越高，目前遥感获取信息的能力在时间分辨率上还存在局限性，视频卫星的出现和发展为满足高时间分辨率信息需求提供了可能，随之而来也对遥感数字图像处理在理论和技术上提出了新的要求，视频卫星的出现和发展将改变传统静态单景影像的图像处理模式，未来将发展为对多帧动态视频影像的快速图像处理模式。

视频卫星对目标区域进行长时间连续成像，可提供某地区动态信息，实现长时间动态实时监测，增强天基动态实时对地观测，服务于车辆实时监测、应急快速响应、重大基础设施监控以及军事安全等领域。当然，目前视频卫星尚未形成卫星组网，重返周期长，摄像机无法进行长时间连续工作，遥感传感器带来的海量数据仍存在遥感信息缺失、难解译等问题[26]，对视频卫星的应用推广带来一定的难度。未来，视频卫星将形成太阳同步轨道的卫星组网以提高时间分辨率； 另外，星载、空载和地面立体视频成像将为某些特定应用提供更为可靠、及时的信息支持。