我国陆地定量遥感卫星技术发展

曹海翊 高洪涛 赵晨光

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

在遥感技术与应用的双重驱动下，卫星遥感正从定性走向定量。根据技术实现与数据应用方式的不同，定量遥感主要涉及几何定量与辐射定量两个方面。其中：几何定量重点关注几何分辨率与定位精度，利用卫星图像与星上测姿定轨数据，通过天地一体化成像几何模型，精确测量地表地物几何特征与位置信息，生成正射地图、数字高程图等高精度地理信息产品；辐射定量重点关注光谱范围、光谱分辨率、辐射分辨率及辐射定标精度等因素，利用各谱段图像的辐射测量信息计算观测要素的地物反射率或辐射率特性，并通过数学或物理模型反演各类地物或大气的特性参数。

定量遥感涉及数据获取、地面标定、应用处理等天地一体化多个过程[1]，卫星作为图像数据获取的核心环节，其技术参数决定了图像数据的特征和质量，也直接影响最终定量处理精度。文献[2]中讨论了我国高分陆地卫星定量遥感技术体系与应用，内容主要集中于数据处理、标定与应用，卫星技术涉及较少；文献[3]和文献[4]中分别对我国气象卫星和海洋卫星发展及定量应用进行了总结。本文重点对我国陆地定量遥感卫星技术发展情况进行回顾与展望。

1 我国陆地定量遥感卫星技术进步

从1999年发射第1颗传输型陆地卫星资源一号以来，我国先后发射10多颗陆地卫星(如表1[5-8]所示)，卫星遥感技术发展迅速，具备可见光、红外、合成孔径雷达(SAR)等多手段观测能力，开发了大、中、小等多个陆地卫星序列，建造了卫星图像数据地面处理系统，形成了较完整的陆地资源卫星监测体系，卫星图像数据在国土普查、作物估产、森林调查、地质找矿、环境保护、灾害监测、城市规划等多个领域发挥了重要作用。

1.1 图像空间分辨率提高到亚米级

图像空间分辨率决定了卫星图像对地面目标细节的表征能力，是评价卫星性能和图像信息的重要指标，也关系着图像几何定量应用水平。随着高分辨率对地观测重大专项的建设和商业遥感的飞速发展，我国高分辨率陆地光学卫星技术获得了长足进步。2014年发射的高分二号卫星实现了全色0.8 m/多光谱3.2 m分辨率，标志着我国进入亚米级高分时代；2016年发射的高景一号卫星(01/02星)，进一步将分辨率提高到全色0.5 m/多光谱2 m，达到国际先进水平。2015年，我国发射了静止轨道高分辨率光学成像卫星高分四号，首次具备了静止轨道条件下可见光谱段50 m分辨率图像的获取能力。此外，2016年发射了高分三号卫星，实现了1 m分辨率多极化SAR成像能力。在高分辨率陆地光学卫星研制过程中，我国突破了大口径光学系统设计加工检测与装调、高稳定光机结构、低噪声高稳定相机焦平面等载荷研制技术，以及星上微振动测量与抑制、高稳定姿态控制等平台关键技术，使我国遥感载荷、卫星平台与系统研制能力得到显著提升。

1.2 图像几何定位精度大幅提高

图像几何定位精度是决定卫星图像几何定量水平的核心指标，涉及姿态确定、轨道确定、相机内方位元素标定、结构稳定性、地面检校与数据处理等天地一体化多个过程。我国初期发射的陆地卫星受研制条件所限，内部几何畸变较大(2～3个像元)，姿态测量精度较差(几十角秒量级)，再加上地面处理方法有限，图像定位精度多在数百米量级，图像应用需要人工选取较多控制点，给行业应用带来较大困难[9]。

2012年，我国发射了首颗民用立体测绘卫星资源三号(01星)。卫星研制过程中攻克了天地一体化图像定位精度指标体系与模型构建、角秒级卫星姿态确定、高精度时间同步、高稳定一体化构型与结构设计、微米级相机内方位元素标定、卫星图像高精度地面处理等一系列关键技术，首次将我国卫星光学图像无控制点平面定位精度提高到10米量级，有控制点平面定位精度约3 m(小于1个像元)，达到甚至超过国际同类卫星水平[10-12]，解决了我国陆地光学卫星几何定位能力不足的瓶颈问题，推动了后续高分二号、高景一号等一批陆地光学卫星图像定位能力的提升，开启了我国几何定量遥感的新时代。

1.3 光学图像辐射质量提升明显

光学图像辐射质量直接影响图像的主观判读结果及各类地物参量的反演精度。早期发射的陆地光学卫星常存在图像清晰度低、层次感差等问题[13]，随着国内相机设计水平、相机高精度温度控制、平台高稳定控制等技术能力的提高，我国陆地光学卫星图像辐射质量与在轨稳定性提升明显。法国阿斯特留姆(Astrium)公司、德国宇航中心(DLR)遥感研究所等多家国外公司和机构对资源三号卫星图像进行了分析，认为图像在色彩表现上有很高精度，层次分明，纹理清晰；资源三号卫星图像优于斯波特-5(SPOT-5)、“先进陆地观测卫星”(ALOS)等国外同类卫星图像。我国陆地卫星光学图像辐射质量的大幅提升，有效促进了卫星遥感在各领域的深入应用。我国部分陆地光学卫星图像如图1所示。

图1 我国陆地光学卫星图像示例Fig.1 Images of China land optical satellites

1.4 普遍具备多光谱成像能力

多光谱成像能够提供不同谱段的地物反射信息，提高地表地物分类与识别能力。我国近年发射的陆地卫星均具备全色/多光谱(4谱段)成像能力(如图2所示)，谱段和光谱覆盖范围与国际同类卫星相似，包括1个全色谱段和4个多光谱谱段，可满足不同业务在地物特征提取、分类、目标识别及主观评价等方面的应用需求。

“中巴地球资源卫星”装载了多谱段红外相机，可获取从近红外、短波红外到长波红外的宽谱图像数据，其中：短波红外主要探测目标为地表及矿产资源；中波、长波红外可在夜间工作；中波红外对火灾、秸秆焚烧火点等热源敏感；长波红外对地面目标热特性敏感，可用于水体污染、夜间排污、城市热环境监测及云顶温度探测等。

环境一号A星配置了高光谱成像仪，光谱范围450～950 nm，光谱分辨率5 nm，谱段数115；2018年5月发射的高分五号卫星，搭载的高光谱相机覆盖可见光和短波红外谱段，具有330个观测谱段，光谱分辨率最高可达0.03 cm-1，显著提高了我国陆地卫星的光谱探测能力。高光谱图像数据提供了丰富的地物光谱信息，可用于地物类型识别，确定物质成分等，在植被生物量估计、矿产调查、精细农业、环境监测等领域具有广泛应用。

图2 我国陆地光学卫星谱段设置Fig.2 Spectrum configuration of China land optical satellites

1.5 图像应用日益广泛

目前，我国陆地卫星图像在国内各行业应用日益广泛，取得了良好的经济和社会效益。在基础地理信息行业，我国陆地卫星图像数据已成为行业应用的主要数据源。例如：资源三号卫星发射4年内共获取全球高精度图像7000万平方千米，为各行业1800多家用户提供了高精度测绘地理信息服务，直接经济效益高达23亿元人民币[14]，有效扭转了国土测绘等典型行业长期依赖国外的被动局面，极大提升了我国陆地卫星图像的应用水平。在矿产资源调查行业，我国陆地卫星图像提供了重要成矿带和重要盆地的综合成像信息，利用资源一号卫星多光谱数据对西南天山地区铅锌矿、金矿和铜矿等找矿有利区进行了定量分析，提取了铁岩石和线性体的空间分布信息，为矿产开采提供了信息保障[15]。在环境调查与监测行业，利用卫星图像进行了我国重要经济区带的区域环境调查，建成了地质环境监测信息网络及预警与辅助决策支持系统，利用高分一号卫星数据，在青海、内蒙古、北京等地区开展了自然保护区人类活动干扰、城市固废与开发区、矿山开发环境破坏等生态环境监测应用示范[16]。在应急观测行业，开展了重大地质灾害破坏情况调查监测、境外重大地质事件应急监测与评估、产能过剩重点地区监控等典型应用，利用我国卫星图像数据研究并实践了“天-空-地-现场”一体化灾害立体监测体系框架[17]，提升了灾害综合评估的时效性和精度。

在实际应用中，我国陆地卫星光学图像也暴露出谱段数量少、辐射定标精度不高等问题，影响了其在地物参量定量反演方面的应用，在可反演参量类型、参量反演精度及数据产品标准化等方面均与国外存在较大差距。目前，国内卫星图像辐射定量应用研究较多依赖中等分辨率成像光谱仪(MODIS)、先进甚高分辨率辐射计(AVHRR)等国外图像数据，亟需提升我国陆地卫星辐射定量技术与应用能力。

2 我国陆地定量遥感卫星技术展望

随着我国高分辨率对地观测重大专项、空间基础设施等多个重大观测计划的落地实施，高分七号、“高分辨率多模综合成像”、“陆地生态系统碳监测”等卫星将陆续入轨提供服务，进一步推动我国卫星遥感几何与辐射定量技术水平。

2.1 图像几何定位精度持续提升

美国“世界观测”(WorldView)系列卫星代表了国际光学遥感几何定量技术的最高水平，其无控制点条件下的图像定位精度达到2～3 m，国内在轨陆地卫星与之相比尚存在差距。提高陆地卫星的几何定位精度，关键在于提高相机光轴指向测量精度、结构在轨稳定性、导航定位精度等环节。在指向测量方面，国内角秒级星敏感器、高精度陀螺将逐步实现在轨应用，可为相机姿态指向提供高精度原始观测数据。在结构稳定性方面，树脂基碳纤维复合材料、C/SiC等低膨胀率材料逐步用于光学相机和星敏感器的支撑结构，为姿态测量基准与成像基准相对指向的稳定性提供了保障；此外，结构热变形数值分析与结构微变形地面试验技术发展迅速，为结构热变形仿真评价与在轨补偿提供了技术手段。在导航定轨方面，我国北斗三号导航卫星陆续发射，将提供全球高精度导航定位服务，实现厘米级卫星轨道事后确定精度。上述技术的成熟与应用，将进一步提升我国陆地卫星的几何定位精度，缩短与国际领先水平的差距。

2.2 激光探测技术在轨应用

激光探测是一种主动遥感手段，从卫星上向地面发射激光脉冲并接收大气及地物反射的回波信号。其中，回波时刻和信号强度代表了反射物与卫星的距离、反射物截面大小和反射率等特征信息，可反演反射物垂直向空间结构，能够有效弥补传统被动光学成像手段在垂直向探测能力的不足(如图3所示)。国际上激光探测技术在深空探测和对地观测领域已有较多应用，包括火星轨道高度计(MOLA)、水星激光高度计(MLA)、月球轨道激光高度计(LOLA)，以及地表与气溶胶探测的地球科学激光高度计系统(GLAS)与偏振云和气溶胶激光雷达(CALIOP)等。我国在资源三号02星上首次搭载了激光雷达载荷，激光数据高程绝对测量精度达到1 m，可为测绘图像提供高精度高程控制数据[18]。随着我国激光器、接收器件等相关技术日臻成熟，激光雷达在探测频率、信号接收、全波形数据分析等方面取得了较大进展。后续高分七号、“陆地生态系统碳监测”等卫星均配置了激光雷达载荷，卫星发射后将可以极大提升地表地物及大气的垂直向位置与结构反演能力，提高光学图像高程精度，为地理测绘、林业调查、碳源碳汇等行业应用提供丰富数据。

2.3 光谱成像技术快速发展

针对光谱数据对地物分类与识别的重要作用，后续部分陆地卫星将配置8个多光谱谱段，在传统4谱段基础上增加海岸谱段(0.400～0.450 μm)，以及对植被和土壤类型敏感的黄谱段(0.590～0.625 μm)、红边谱段(0.705～0.745 μm)和近红外谱段(0.860～1.040 μm)，如图4所示。海岸谱段支持植物鉴定和分析，也支持基于叶绿素和渗水的深海探测研究，由于该谱段对大气散射较为敏感，还可用于大气纠正；黄色谱段是重要的植被观测谱段，可用于探测植被的黄色特征指标，进行植被油气蚀变制图，也可用于海面悬浮泥沙、荒漠化的监测；红边谱段可用于监测植物健康状况，红边指数在作物发育期内基本呈线性关系，采用红边谱段反演植被参数的精度和灵敏度均高于常规多光谱谱段；近红外谱段较少受大气影响，支持植物分析与单位面积内生物量研究。8谱段多光谱探测能力将在水体监测、地表分类、作物参数计算、作物养分含量、作物病害或环境监测等方面提升定量反演精度。

在高光谱成像方面，具备高光谱观测能力的卫星将不断增加，显著提高高光谱观测数据的时效性。另外，光谱分辨能力将进一步提升，特定谱段(如氧气吸收谱线附近)可达0.3 nm，能获取更加精细的地物光谱信息，提供光谱曲线、图像立方体等数据产品，推动卫星图像数据在地质及矿产资源信息解译、岩性区分、地物精细识别、土壤信息提取、精准农业等方面发挥重要作用。

2.4 多角度偏振成像技术日益成熟

地表二向反射特征(BRDF)综合反映了地物的几何结构与辐射特征，较常规单向光学图像提供了更为丰富的地表信息。多角度成像通过记录大气顶部多个角度入射光的强度与方向(如图5所示)，获取同一地区不同方向的辐射图像，用来计算地表BRDF信息；偏振成像则同时获取光的强度信息与偏振特性，实现地气反射光解耦(大面积地表对太阳光漫反射表现为不起偏特性，观测到的线偏振光可认为主要由大气散射产生)。多角度偏振成像可用于定量反演森林聚集度指数、覆盖度、森林类型等参数，预估区域森林植被生物量信息，提高地表地物分类与识别准确度。此外，利用强度反射率和偏振反射率信息，可进一步定量反演气溶胶光学厚度、细粒子比等大气参数[19]，对光学图像进行大气校正，提升图像质量。我国“陆地生态系统碳监测”卫星、高分五号卫星均配置了多角度偏振成像仪，能够提供丰富的多角度偏振信息，提升图像数据在环境监测、生态保护、碳循环监测等行业中的应用，提高定量处理与应用水平。

图5 多角度偏振成像原理示意Fig.5 Schematic diagram of multi-angle polarization imaging

2.5 在轨辐射定标方式多样

辐射定标用于建立光学图像的灰度值与相应地物反射率的定量对应关系，是辐射定量处理中的关键和基础环节，其标定精度直接影响辐射定量反演精度。随着辐射定量应用和要求的提高，后续陆地卫星辐射定标将朝着高精度、高频次、高可靠、低成本、低复杂、新手段等方向发展。通过控制外部环境和内部因素提高定标精度，通过高频次定标降低遥感器响应波动对定标精度的影响，实现全生命周期高可靠设计，降低定标复杂度，控制定标成本，拓展新型定标手段。辐射定标包括试验室辐射定标、场地辐射定标、偏航辐射定标、漫反射板绝对辐射定标和对月辐射定标等方式。

(1)试验室辐射定标主要用于获取相机在地面的辐射响应特性，一般采用积分球面源近距离方法进行标定，绝对辐射定标精度优于7%，相对辐射定标精度优于3%。

(2)场地辐射定标用于修正由于大气扰动、发射段振动和空间环境影响等导致的相机辐射响应特性变化，一般采用辐射校正场结合反射率法进行标定，其绝对辐射定标精度优于5%，相对辐射定标精度优于3%。

(3)偏航辐射定标过程中，卫星偏航90°飞行并成像，地面获取图像数据后通过两点法或直方图统计法获取相机相对辐射定标系数。偏航定标是国外多颗卫星，如艾科诺斯-2(Ikonos-2)、陆地卫星-8(Landsat-8)在轨相对辐射定标的主要方法，国内在高分一号卫星上也进行了应用[20]。偏航定标降低了定标场地选择要求，增加了定标窗口时机，依靠陆地卫星自身敏捷特性即可实现，降低了工程复杂度[21-22]。

(4)漫反射板绝对辐射定标通常选择太阳或定标灯作为稳定辐射定标源，结合已知双向反射分布函数的漫射板，产生光谱辐亮度已知的近朗伯面光源，实现遥感器全孔径全光路星上定标。该方式易实现高频次、高精度、长周期标定，相关设计和装配也容易实现。

(5)月球表面反射率的变化率约为10-8/年，光谱特性稳定，光谱范围覆盖可见光、近红外全部谱段，非常适合作为参考辐射基准源，且月球定标不受大气影响，杂散光影响可降至最低，能满足每天多次的定标需求，实现对遥感器辐射响应的全周期动态监测。随着月球辐亮度模型的不断完善，对月辐射定标的精度也不断提高。目前，国外地球观测-1(EO-1)、Ikonos-2、“昴宿星”(Pleiades)及我国的“风云”系列卫星，都进行过对月定标研究[23]。典型对月定标过程如图6所示。

图6 对月定标过程示意

3 结束语

经过20多年的发展，我国陆地卫星在几何分辨率、图像定位精度等几何定量性能方面提升明显，图像几何质量达到甚至超过国外同类卫星水平，辐射质量与国外卫星的差距也在不断缩小，我国陆地卫星图像数据在国民经济各行业中应用日益广泛，取得良好的经济和社会效益。后续随着高分七号、“陆地生态系统碳监测”、“高分辨率多模综合成像”等卫星逐步投入应用，将在探测手段、几何精度、谱段范围、光谱分辨率、辐射定标等方面进一步提高我国陆地定量遥感卫星技术水平，推动我国陆地卫星图像数据在林业、农业、环保、住建等行业的深度应用，促进我国定量遥感技术与应用的跨越式发展。