高分辨率光学卫星遥感影像高精度几何处理与应用

《地球观测与导航技术丛书》编写说明

前言

第1章 绪论 1

1.1 高分辨率光学遥感卫星发展现状与趋势 1

1.2 高分辨率光学卫星遥感影像的高精度几何定位与几何处理 15

1.3 本书的内容与组织结构 18

参考文献 19

第2章 高分辨率光学卫星遥感影像成像几何模型构建 21

2.1 引言 21

2.2 高分辨率光学遥感卫星的时间系统与坐标系统 21

2.3 光学卫星遥感影像严密成像几何模型 25

2.4 光学卫星遥感影像有理函数模型 34

2.5 本章小结 38

参考文献 38

第3章 高分辨率光学遥感卫星成像链路几何误差分析 39

3.1 引言 39

3.2 光学遥感卫星定位误差来源 39

3.3 光学遥感卫星定位精度关键影响因素 53

3.4 光学遥感卫星几何定位精度指标论证方法与应用 60

3.5 本章小结 65

参考文献 65

第4章 高分辨率光学遥感卫星轨道与姿态数据处理 66

4.1 引言 66

4.2 高分辨率光学遥感卫星轨道数据处理与建模 66

4.3 高分辨率光学遥感卫星姿态数据处理与建模 75

4.4 本章小结 89

参考文献 89

第5章 高分辨率光学卫星遥感影像在轨几何定标 91

5.1 引言 91

5.2 高分辨率光学遥感卫星相机特点 91

5.3 基于探元指向角的通用几何定标模型构建 95

5.4 光学遥感卫星在轨几何定标解算与评价 96

5.5 光学遥感卫星典型载荷几何定标方案及应用 103

5.6 本章小结 116

参考文献 116

第6章 高分辨率光学卫星遥感影像传感器校正理论与方法 118

6.1 引言 118

6.2 高分辨率光学遥感卫星传感器校正内涵 118

6.3 传统传感器校正原理与方法 120

6.4 稳态重成像的传感器校正原理 123

6.5 基于稳态重成像的推扫成像传感器校正方法及应用 129

6.6 本章小结 142

参考文献 143

第7章 高分辨率光学遥感卫星平台震颤检测与建模方法 144

7.1 引言 144

7.2 平台震颤对推扫成像几何特性影响分析 145

7.3 基于分时成像的平台震颤检测方法 150

7.4 基于视差成像的平台震颤姿态建模 163

7.5 实验与分析 165

7.6 本章小结 168

参考文献 169

第8章 光学卫星遥感影像的区域网平差方法与应用 171

8.1 引言 171

8.2 光学卫星遥感影像区域网平差模型 171

8.3 光学卫星遥感影像区域网构建与求解 180

8.4 光学卫星遥感影像区域网平差技术的**发展 185

8.5 资源三号卫星全国一张图工程平差实验 192

8.6 本章小结 196

参考文献 196

第9章 大区域高分辨率光学卫星遥感影像镶嵌理论与方法 198

9.1 引言 198

9.2 大区域整体相对辐射校正 199

9.3 基于顾及重叠的面Voronoi图的接缝线网络生成 208

9.4 基于接缝线网络的影像镶嵌及应用 222

9.5 本章小结 225

参考文献 225

第10章 高分辨率光学卫星遥感影像产品的几何质量分析与评价 228

10.1 引言 228

10.2 几何质量评价主要指标 228

10.3 几何质量评价方法 234

10.4 几何精度评价参考 237

10.5 本章小结 238

参考文献 239

彩图

第1章 绪论

　　1.1 高分辨率光学遥感卫星发展现状与趋势

　　1.1.1 高分辨率光学遥感卫星发展现状

　　1957年，第一颗人造卫星升空，标志着人类进入了太空时代；1972年，美国发射了第一颗陆地卫星Landsat，开辟了遥感对地观测的新纪元；1999年，第一颗高分辨率商业遥感卫星IKONOS的成功发射(美国Space Imaging公司研制，分辨率达到1m)开启了商业高分辨率光学遥感卫星的新时代。高分辨率光学遥感卫星带来的巨大军事与经济效益，引起全球民用与军事应用领域的高度重视，在过去的十几年里，世界各国掀起了全球高分辨率光学遥感卫星研制的高潮，高分辨率光学遥感卫星已进入一个“百花齐放”的全面发展和广泛应用的崭新时期，美国、法国、俄罗斯、欧洲空间局、日本、印度等国家/机构都相继发射了大量高分辨率光学遥感卫星，大多采用与太阳同步的近极地圆轨道，轨道高度一般为500~1000km。

　　1. 国外高分辨率光学遥感卫星发展现状

　　高分辨率光学遥感卫星的行业应用已经成为国际潮流，美国、欧洲、以色列、印度、日本等主要航天大国(地区)纷纷推出了自己的高分遥感卫星系统。美国和法国代表了当前高分辨率光学遥感卫星发展的**进水平，引领光学遥感卫星不断向高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率、多角度、小型敏捷等方向发展(朱仁璋等，2015；朱仁璋等，2016a，b)。表1-1统计了近15年来国外发射的高分辨率光学遥感卫星情况。下面分别对美国、法国及以色列、俄罗斯、日本等其他国家的高分辨率光学遥感卫星的发展情况进行说明。

　　1) 美国

　　美国高分辨率光学遥感卫星的研制起步较早，加上政府大力支持，一直处于****水平。其高分辨率商业遥感卫星以IKONOS、QuickBird、GeoEye-1、WorldView-1/2/3/4为主。下面分别对这7颗卫星进行简要介绍。

　　IKONOS卫星发射于1999年，是全球首颗空间分辨率优于1m的商业光学遥感卫星。IKONOS运行状态如图1-1所示。同时，IKONOS卫星具有较强的机动成像能力，通过侧摆、俯仰角灵活调整对地成像，不仅缩短了卫星重访周期，还可以获取异轨立体和同轨立体影像，实现了单星立体测图。

　　表1-1 1999~2016年国外高分辨率光学遥感卫星统计

　　QuickBird卫星发射于2001年10月，与IKONOS卫星类似，具备敏捷成像能力，可获取立体成像数据，立体成像的基高比为0.9~1.2，适合三维信息提取。QuickBird卫星星下点成像的幅宽为16.5km，比IKONOS宽60%。QuickBird运行状态如图1-2所示。 

　　图1-1 IKONOS卫星

　　图1-2 QuickBird卫星

　　GeoEye-1卫星由GeoEye公司(2013年被DigitalGlobe公司并购)于2008年9月成功发射，其采用了成熟的卫星平台(SA-200HP)和新一代的光学成像载荷，卫星飞行状态如图1-3所示。在硬件设计方面采用星载一体化设计思路，卫星构型以星上主要载荷为中心进行布局，打破了传统卫星平台与载荷分而置之的设计思想，提高了有效载荷比；采用双jun用高精度星敏、高精度陀螺、10芯太阳敏感器、3个磁力矩器，以及2个GPS构成姿态敏感器群，高精度姿态敏感器群的协同工作，指向角精度可达75″，姿态稳定度可达0.007″/s；姿态控制选用了8个零动量偏置飞轮来提供灵活的敏捷机动动力，使得卫星具备敏捷的姿态机动能力；成像载荷采用了全新的全视场FFTMC(full field three mirror Cassegrain)光学成像系统，大幅提高成像效率。GeoEye-1影像定位精度达到平面2.5m(CE90)、高程3m(LE90)。

　　图1-3 GeoEye-1卫星

　　WorldView系列卫星是由美国DigitalGlobe公司在QuickBird卫星基础上发展起来的，当前已经制造并发射了四颗，分别为WorldView-1、WorldView-2、WorldView-3和WorldView-4。相对于QuickBird卫星，WorldView卫星设计指标较高，采用了控制力矩陀螺(control moment gyros，CMG)技术，提供了10倍于其他姿态控制器的加速度，可以大幅度改进传感器的机动性和确定目标方向性，使得WorldView卫星具有**的镜头转向敏捷性，从而可以在扫描成像时快速地从一个目标调转到另一个目标，加快立体像对的采集。

　　WorldView-1卫星(图1-4)仅能进行全色成像，无地面控制的定位精度为3.5m(CE90)，可以进行双向扫描。WorldView-2(图1-5)在WorldView-1卫星基础上，首次将多光谱相机由4个谱段增加到8个。 

　　图1-4 WorldView-1卫星

　　图1-5 WorldView-2卫星

　　WorldView-3是第一颗多负载、超高光谱、高分辨率的商业卫星，并且是迄今为止分辨率**的遥感卫星，可提供分辨率0.31m全色、1.24m多光谱、3.7m短波红外和30mCAVIS影像。短波红外波段可透过雾霾、烟尘，以及其他空气颗粒进行精确图像采集。CAVIS装置也可透过雾霾、烟尘，以及其他空气颗粒，甚至可穿过海洋表面进行精确成像，实现对气象条件监测和大气校正。WorldView-3的平均回访时间不到1天，每天能够采集全球680000km2的范围，开创了更高级别清晰度的卫星影像新时代，也使DigitalGlobe进一步扩展了其图像产品范围，将为各大地图供应商提供更好的卫星影像解决方案。

　　WorldView-4卫星为原计划2013年发射的GeoEye-2卫星。GeoEye-2卫星是由GeoEye公司2007年提出，但由于公司并购，导致GeoEye-2卫星推迟发射。2014年7月，Digital Globe公司正式将GeoEye-2卫星更名为WorldView-4。WorldView-4已于2016年11月成功发射，可获取1.36m分辨率的多光谱影像和0.34m的全色影像，与WorldView-3卫星组成对地观测星座，实现协同对地观测。WorldView-4卫星的发射将使DigitalGlobe公司近乎垄断美国的高分辨率商业影像市场。

　　2) 法国

　　法国在高分辨率光学遥感卫星的研制上一直走在世界前列。1982年法国空间研究中心(CNES)创建了SPOT Image公司，奠定了法国卫星商业化的基础。从1986年第一颗卫星SPOT发射以来，至今已发射SPOT卫星1~7号。继SPOT系列后CNES发展了Pleiades双星观测星座，是世界上**可提供每日重访的高分辨率光学遥感卫星星座。

　　SPOT-1/2/3卫星采用近极地圆形太阳同步轨道，轨道倾角93.7°，平均高度832km，搭载两台HRV传感器，可获取分辨率10m的全色影像和分辨率20m的多光谱影像，并可通过交向观测获得立体像对，便于进行立体测图。SPOT-4卫星在第一代SPOT系列卫星SPOT-1/2/3的基础上增加了一个短波红外波段，可以获取分辨率10m的全色影像和分辨率20m的多光谱数据；增加了宽视域植被探测仪，用于全球和区域两个层次上，对自然植被和农作物进行连续监测，对大范围的环境变化、气象、海洋等应用研究很有意义。SPOT-5卫星在SPOT-1~SPOT-4号卫星的基础上进一步提高了立体成像能力，可以获取同轨或异轨立体影像，是世界上首颗具有同轨立体成像能力的商业卫星。SPOT-5星上载有2台高分辨率几何成像装置(HRG)、1台高分辨率立体成像装置(HRS)、1台宽视域植被探测仪(VGT)等，空间分辨率**2.5m，通过前、后视成像实时获得立体像对，运营性能有很大改善。同时，在数据压缩、存储和传输性能等方面也均有显著提高。SPOT-6卫星可采用同轨前、后视立体或前、下、后三视立体成像，具有60km的大幅宽，获取1.5m分辨率的全色影像和6m分辨率的多光谱影像。作为SPOT-6的双子卫星，SPOT-7(图1-6)与其处于同一轨道高度，彼此相隔180°，同样具有60km的大幅宽，两颗卫星在轨时每天的获取能力将达到600万km2，相当于法国面积的十倍。 

　　图1-6 SPOT-7卫星①

　　图1-7 Pleiades卫星①

　　Pleiades卫星(图1-7)为CNES研制的超高分辨率对地观测发展计划卫星，是SPOT系列的后续星，由Pleiades-1A和Pleiades-1B组成，分别于2011年12月17日、2012年12月2日成功发射，两者在轨道高度695km的同一太阳同步轨道上相距180°，保证Pleiades星座的重访周期为1天。Pleiades卫星带地面控制点的影像定位精度达到1m，无地面控制点的定位精度达到10m(CE90)，可整体绕滚动轴、俯仰轴大角度侧摆，在很短的时间内调整观测角度，灵活地实现对不同目标的观测。这使得Pleiades卫星可以对直径20km的点状目标进行瞬时成像，也可以沿飞行轨道方向近实时获取立体像对，大幅提高成像效率。

　　2014年7月，SPOT-7的成功发射标志着空中客车防务与空间公司此前规划的由SPOT-6&7与Pleiades-1A&1B组成四颗卫星星座的计划终于得以完成，由SPOT卫星提供高分辨率影像，Pleiades提供极高分辨影像。

　　3) 其他国家

　　A. 以色列

　　EROS系列卫星是以色列代表性的高分辨率遥感卫星。目前成功发射运行的卫星包

页　　数：252

开　　本：16开

正文语种：中文