幾種典型高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)(共9頁)

1、幾種典型高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星(wixng)系統(tǒng)121 IKONOS衛(wèi)星(wixng)系統(tǒng)1 基本(jbn)情況 IKONOS是空間成像公司(Space Imaging)為滿足高解析度和高精度空間信息獲取而設(shè)計制造，是全球首顆高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星。IKONOS-1于1999年4月27日發(fā)射失敗，同年9月24日，IKONOS-2發(fā)射成功，緊接著于10月12日成功接收到第一幅影像。IKONOS衛(wèi)星由洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)制造，重1600lb，由Athena II火箭于加利福尼亞州的范登堡空軍基地發(fā)射成功，衛(wèi)星設(shè)計壽命為7年。它采用太陽同步軌道，軌道傾角98.1，平均飛行高

2、度681km，軌道周期98.3min，通過赤道的當(dāng)?shù)貢r間為上午10:30，在地面上空平均飛行速度為6.79km/s，衛(wèi)星平臺自身高1.8m，直徑1.6m。IKONOS衛(wèi)星的傳感器系統(tǒng)由美國伊斯曼柯達公司(Eastman Kodak)研制，包括一個1m分辨率的全色傳感器和一個4m分辨率的多光譜傳感器，其中的全色傳感器由13816個CCD單元以線陣列排成，CCD單元的物理尺寸為12m x 12m，多光譜傳感器分四個波段，每個波段由3454個CCD單元組成。傳感器光學(xué)系統(tǒng)的等效焦距為10m，視場角(FOV)為0.931，因此當(dāng)衛(wèi)星在681km的高度飛行時，其星下點的地面分辨率在全色波段最高可達0.8

3、2m，多光譜可達3.28m，掃描寬度約為11km。傳感器可傾斜至26立體成像，平均地面分辨率1m左右，此時掃描寬度約為13km。IKONOS的多光譜波段與Landsat TM的14波段大體相同，并且全部波段都具有11位的動態(tài)范圍，從而使其影像包含更加豐富的信息。IKONOS衛(wèi)星載有高性能的GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺。GPS數(shù)據(jù)經(jīng)過后處理可提供較精確的星歷信息；恒星跟蹤儀用以高精度確定衛(wèi)星的姿態(tài)，其采樣頻率低；激光陀螺則可高頻地測量成像期間衛(wèi)星的姿態(tài)變化，短期內(nèi)有很高的精度。恒星跟蹤數(shù)據(jù)與激光陀螺數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波能提供成像期間衛(wèi)星較精確的姿態(tài)信息。GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺提供

4、的較高精度的軌道星歷和姿態(tài)信息，保證了在沒有地面控制的情況下，IKONOS衛(wèi)星影像也能達到較高的地理定位精度。2 成像原理 與Landsat和SPOT-4衛(wèi)星相比，IKONOS衛(wèi)星的成像方式更加靈活，其傳感器系統(tǒng)采用獨特的機械設(shè)計，可以十分靈活地以任意方位角成像，偏離正底點的擺動角甚至可達到60。IKONOS衛(wèi)星360的照準能力使其既可側(cè)擺成像以獲取異軌立體或縮短重訪周期，也可通過沿軌道方向的前后擺動同軌立體成像，具有推掃、橫掃成像能力。IKONOS衛(wèi)星能獲取同軌立體影像。當(dāng)衛(wèi)星接近目標(biāo)時，傳感器光學(xué)系統(tǒng)先沿著軌道向前傾斜，照準目標(biāo)區(qū)域并采集第一幅影像，接著控制系統(tǒng)操縱傳感器向后擺動，大約10

5、0s后再次照準目標(biāo)區(qū)并采集第二幅影像，如圖11所示。由于IKONOS衛(wèi)星利用單線陣CCD傳感器，通過光學(xué)系統(tǒng)的前后擺動實現(xiàn)同軌立體成像。因此，相應(yīng)的立體覆蓋是不連續(xù)的。3 CARTERRATM 系列(xli)產(chǎn)品簡介 在Space Imaging最新發(fā)布的IKONOS影像產(chǎn)品白皮書中，根據(jù)CE90(Circular Error at 90% Probability)及LE90(Liner Error at 90% Probability)的大小將IKONOS CARTERRA產(chǎn)品分為(fn wi)五級，分別稱為Geo、Reference、Pro、Precision和Precision Plus

6、，如表1.4所示。表1.4 IKONOS衛(wèi)星各級產(chǎn)品的基本(jbn)信息產(chǎn)品類型定位精度正射糾正采集角度構(gòu)成立體CE90RMSNMASGeo=50mN/AN/A否60-90否Reference=25.4m=11.8m1:50000是60-90是Pro=10.2m=4.8m1:12000是66-90否Precision=4.1m=1.9m1:4800是(GCP)72-90是Precision Plus=2m=0.9m1:2400是(GCP)75-90否 (1)簡單幾何糾正產(chǎn)品。 a) CARTERRATM Geo產(chǎn)品：IKONOS的Geo級產(chǎn)品包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像以及

7、融合后的1m分辨率的彩色影像，適用于宏觀觀察和判讀。Geo級產(chǎn)品經(jīng)過簡單幾何糾正，消除了影像采集引起的幾何誤差，并將影像按照統(tǒng)一的地面采樣間隔(GSD)和給定的地圖投影方式重采樣。Geo產(chǎn)品沒有消除地形起伏造成的影像移位，能達到的定位精度有限。不含地形起伏影響的Geo產(chǎn)品標(biāo)稱精度為50m CE90，不適合測圖。 b) CARTERRATM Geo Ortho Kit產(chǎn)品：2001年6月，Space Imaging發(fā)布了Geo Ortho Kit產(chǎn)品，它是Geo產(chǎn)品的一個分支，適用于專業(yè)用戶。Geo Ortho Kit產(chǎn)品包括Geo級影像及相應(yīng)的傳感器成像幾何模型(Image Geometry

8、Model-IGM，即RPC模型)，依據(jù)IGM用戶可以利用DEM和地面控制點自己制作高精度的正射影像。 (2)正射糾正(jizhng)產(chǎn)品。正射糾正是為了消除地形起伏引起(ynq)的誤差。IKONOS經(jīng)正射糾正后的影像包括Reference、Pro、Precision和Precision plus。 a) CARTERRATM Reference產(chǎn)品(chnpn)：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和融合后的1m分辨率的彩色影像，適用于大面積測圖以及需要1:5000比例尺正射影像的工程項目。它經(jīng)過正射糾正和鑲嵌，定位精度可達25m CE90。 b) CARTERRATM Pro產(chǎn)

9、品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和1m分辨率彩色影像，適用于無法獲取控制點或地面控制昂貴、困難時，需要高空間分辨率、中等比例尺定位精度正射影像的工程項目。Pro級產(chǎn)品的定位精度可達10mCE90，是無地面控制條件下生成的最高精度的正射產(chǎn)品，能提供全球1:12000(NMAS)比例尺的正射影像。 c) CARTERRATM Precision產(chǎn)品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光譜影像和1m分辨率彩色影像。Precision級產(chǎn)品的精度相當(dāng)于比例尺為1:4800(NMAS)地形圖的定位精度，適用于大面積、大比例尺城區(qū)規(guī)劃工程項目。Precision級影像采集時傳感器

10、高度角一般在72d以上，要達到其標(biāo)稱的4m CE90的定位精度，用戶需要向Space Imaging提供1m精度的地面控制點和5m精度的DEM。 d) CARTERRATM Precision Plus產(chǎn)品：只包括lm分辨率全色影像和1m分辨率彩色影像。Precision Plus產(chǎn)品是Space Imaging提供的最精確的IKONOS影像產(chǎn)品，能提供大多數(shù)城市規(guī)劃項目所需的精度，定位精度最高可達2m CE90。Precision Plus產(chǎn)品的生成同樣需要向Space Imaging提供高精度的地面控制點和高質(zhì)量的DEM。 (3)立體影像產(chǎn)品。IKONOS的立體影像產(chǎn)品僅有1m分辨率的Re

11、ference和Precision兩種級別。Space Imaging提供給用戶的IKONOS立體影像產(chǎn)品還附帶傳感器模型的有理多項式函數(shù)系數(shù)文件(RPC)，RPC文件提供地面點空間交會、DEM提取和正射糾正等攝影測量處理所需的傳感器模型參數(shù)。IKONOS立體影像產(chǎn)品一般都經(jīng)過核線重采樣。 a)Reference級立體產(chǎn)品：該產(chǎn)品生成僅利用了星載GPS接收機、恒星跟蹤儀和激光陀螺提供的軌道星歷、衛(wèi)星姿態(tài)以及焦平面的視場角映射(Field Angle MapFAM)信息。不需要地面控制點，Reference級立體產(chǎn)品能達到25m CE90的平面精度和22m LE90的高程精度，也稱為標(biāo)準立體產(chǎn)品

12、。 b)Precision級立體產(chǎn)品：利用少量地面控制點消除系統(tǒng)性誤差，Precision級立體產(chǎn)品可達到4mCE90的平面精度和5mLE90的高程精度，也稱為精確立體產(chǎn)品。 (4)產(chǎn)品選項。 影像(yn xin)的位深度(灰度級)8位或11位。 影像(yn xin)格式單像采用(ciyng)GeoTIFF或未壓縮NTIF 2.0格式；立體影像采用TIFF格式(核線投影)或GeoTIFF格式(地圖投影)。 投影方式UTM，國家平面投影，亞爾勃斯等面積圓錐投影，蘭伯特等角圓錐投影，橫墨卡托投影。 基準面或參考橢球WGS84，NAD83，NAD27。 分發(fā)媒介CD-ROM，DVD，硬盤，Inter

13、net。122 QuickBird衛(wèi)星系統(tǒng) QuickBird衛(wèi)星(快鳥衛(wèi)星)由Ball航天技術(shù)公司(Ball Aerospace & Technologies)、柯達公司(Eastman Kodak)和Fokker空間公司(Fokker Space)聯(lián)合研制，由數(shù)字地球公司(Digital Globe)運營，是目前世界上空間分辨率最高的商用衛(wèi)星。早在1997年12月24日，地球觀測公司(EarthWatch，DigitalGlobe公司的前身)就用俄羅斯START-1運載火箭發(fā)射了EarlyBird衛(wèi)星，但衛(wèi)星在入軌4天后失蹤；3年以后，在2000年11月20日地球觀測公司又發(fā)射了Quick

14、Bird-1衛(wèi)星，仍采用俄羅斯的運載火箭發(fā)射，但衛(wèi)星未入軌而宣告失敗；1年后地球觀測公司改名為數(shù)字地球公司，并于2001年10月18日改用美國波音公司Delta II型運載火箭發(fā)射QuickBird-2衛(wèi)星獲得成功。現(xiàn)在我們所稱的QuickBird衛(wèi)星即是指QuickBird-2星。1QuickBird的基本參數(shù)QuickBird衛(wèi)星是為高效、精確、大范圍地獲取地面高清晰度影像而設(shè)計制造的。在當(dāng)前運營和即將發(fā)射的商業(yè)遙感衛(wèi)星中，QuickBird衛(wèi)星能提供最大的條帶寬度、最大的在線存儲容量和最高的地面分辨率。衛(wèi)星基本參數(shù)如表15所示。表15 QuickBird衛(wèi)星有關(guān)參數(shù)發(fā)射日期2001年10

15、月18日發(fā)射裝置波音Delta II運載火箭發(fā)射地加利福尼亞范登堡空軍基地軌道高度450km軌道傾角97.2飛行速度7.1km/s降交點時刻上午10:30軌道周期93.5min條帶寬度垂直成像時為16.5km x 16.5km平面精度23cm(CE90)動態(tài)范圍11位空間分辨率全色：61cm(星下點)；多光譜：2.44m(星下點)光譜響應(yīng)范圍全色：450900nmB：450520nm； G：520600nmR：630690nm； NIR：760nm900nm 與IKONOS衛(wèi)星類似，QuickBird衛(wèi)星也具有推掃、橫掃成像能力，可以獲取同軌立體或異軌立體，但一般情況下通過推掃獲取同軌立體，立

16、體影像的基高比在0.62.0之間，但絕大多數(shù)情況下位于0.91.2范圍內(nèi)，適合三維信息提取。根據(jù)緯度的不同，衛(wèi)星的重訪周期在13.5d之間。垂直攝影時，QuickBird衛(wèi)星影像的條帶寬為16.5km，比IKONOS寬60%，當(dāng)傳感器擺動30時，條帶寬約19km。 與Space Imaging公司銷售IKONOS衛(wèi)星影像的策略不同，DigitalGlobe公司同時提供嚴密傳感器模型和有理多項式系數(shù)模型來處理QuickBird衛(wèi)星影像，以滿足不同用戶的需要。嚴密傳感器模型是依據(jù)傳感器的成像幾何關(guān)系，利用成像瞬間地面點、透視中心(zhngxn)和相應(yīng)像點三點共線的幾何關(guān)系建立的數(shù)學(xué)模型，是攝影測量

17、學(xué)最常采用的成像模型，具有最高的定位精度，但形式較為復(fù)雜。嚴密模型所需的傳感器成像參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)和軌道星歷保存在影像支持數(shù)據(jù)(Image Support DataISD)文件中。RPC模型是對嚴密傳感器模型的擬合(n h)，它直接提供了地面坐標(biāo)同像點坐標(biāo)之間的映射關(guān)系，理想情況下也能達到跟嚴密模型相當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?QuickBird影像(yn xin)產(chǎn)品 根據(jù)處理程度和定位精度的不同，DigitalGlobe將QuickBird衛(wèi)星影像分為五級，如表16所示，其中Ortho自定義級產(chǎn)品的定位精度依賴于用戶提供的地面控制點和DEM的精度。 (1)Basic級影像產(chǎn)品。Basic級產(chǎn)品只經(jīng)過輻射

18、校正和傳感器扭曲校正，消除了傳感器光學(xué)畸變、掃描畸變、掃描速率不均勻引起的影像變形，沒有進行幾何糾正和地圖投影，是最原始的影像產(chǎn)品，適合專業(yè)的攝影測量處理。利用提供的影像支持數(shù)據(jù)和DEM，Basic級影像能達到14m的平面精度(RMSE，相當(dāng)于23m CE90)，其中不包括成像幾何和地形起伏的影響。表16 QuickBird影像產(chǎn)品及其定位精度產(chǎn)品級別處理形式定位精度覆蓋范圍CE90/mRMSE/mBasic級原始影像2314全球Standard級幾何糾正2314全球Ortho 1:25000級正射糾正12.77.7全球Ortho 1:12000級正射糾正10.26.2美國本土Ortho 1:

19、4800級正射糾正4.12.5美國本土Ortho自定義級正射糾正可變可變?nèi)?用戶可以采用RPC模型和嚴格傳感器模型對Basic級影像進行正射糾正，利用高質(zhì)量的DEM和亞米級精度的地面控制點，QuickBird嚴格傳感器模型能達到RMSE 25m的定位精度，RPC模型能達到RMSE 36m的定位精度。 Basic級全色影像的分辨率在0.61m(星下點)到0.72m(傾斜25)之間，多光譜影像的分辨率在2.44m(星下點)到2.88m(傾斜25)之間。每景Basic全色影像為27424行、27552列，多光譜影像為6856行、6888列，覆蓋面積約272km2。 (2)Standard級影像(y

20、n xin)產(chǎn)品。Standard級影像產(chǎn)品經(jīng)過輻射校正、傳感器畸變校正、幾何校正，消除了平臺定位和姿態(tài)誤差、地球自轉(zhuǎn)、地球曲率(ql)等造成的影像變形，并進行了地圖投影。Standard產(chǎn)品包括分辨率為0.6m或0.7m的全色、真彩色或全色銳化影像以及分辨率為2.4m或2.8m的多光譜影像。 Standard級產(chǎn)品具體(jt)可分為兩類： a)Standard產(chǎn)品：利用粗DEM消除了地形起伏(相對于參考橢球)生成的產(chǎn)品。Standard影像的平均定位精度是23m CE90，其中不包括地形起伏和側(cè)視成像的影響。 b)Ortho Ready Standard產(chǎn)品：沒有消除地形起伏的影響，適合進行

21、正射糾正。Ortho Ready Standard產(chǎn)品的定位精度為23m CE90，其中不包括地形起伏和傳感器側(cè)視成像的影響。如果利用高質(zhì)量的DEM、亞米級精度的地面控制點和RPC參數(shù)進行處理，可以達到RMSE 310m的定位精度。 (3)正射糾正產(chǎn)品。正射糾正產(chǎn)品經(jīng)過了輻射校正、傳感器校正、幾何校正和正射糾正，并投影到指定的基準面上。正射糾正產(chǎn)品包括有分辨率為0.6m或0.7m的全色、真彩色或全色銳化影像以及分辨率為2.4m或2.8m的多光譜影像。 正射糾正產(chǎn)品需要DEM和地面控制點來消除地形起伏影響。當(dāng)生成1:25000、1:12000和1:4800比例尺的正射影像時，所需的DEM和地面控

22、制點由DigitalGlobe負責(zé)收集；DigitalGlobe也可使用用戶提供的DEM和地面控制點進行正射糾正，生成自定義級正射糾正產(chǎn)品，但DigitalGlobe不保證自定義級正射糾正產(chǎn)品的質(zhì)量和定位精度。 (4)影像支持數(shù)據(jù)。QuickBird衛(wèi)星的所有影像產(chǎn)品分發(fā)時都附帶有一套元數(shù)據(jù)文件，稱之為影像支持數(shù)據(jù)(Image Support DataISD)，它們包含了影像數(shù)據(jù)必備的輔助說明信息。根據(jù)產(chǎn)品類型的不同，其對應(yīng)的ISD數(shù)據(jù)內(nèi)容也不盡相同，如表17所示。表17 QuickBird的影像支持數(shù)據(jù)(ISD)文件文件名稱擴展名Basic級產(chǎn)品Standard級產(chǎn)品正射糾正產(chǎn)品姿態(tài)文件.a

23、tt星歷文件.eph幾何校正文件.geo元數(shù)據(jù)文件.imdLicense文件.txtReadme文件.txtRPCOOB文件.rpb瓦片映射文件.til 表中各種文件的內(nèi)容描述詳見DigitalGlobe(2003)。 (5)Basic立體(lt)影像產(chǎn)品。Basic立體(lt)像對由兩景Basic級影像構(gòu)成，它們由傳感器沿軌道前后傾斜成像獲取，具有90%的航向重疊，用了提取DEM或三維地物采集。Basic立體影像僅經(jīng)過輻射校正和傳感器校正，全色影像的分辨率大約0.78m(傾斜30)，多光譜(gungp)影像為3.12m(傾斜30)。 QuickBird Basic立體影像是同軌采集的前后立體

24、。飛行期間，傳感器首先沿軌道向前傾斜約30，并采集第一景影像，接著成像系統(tǒng)向后擺動，以約30的傾斜角采集第二景影像。Basic立體影像的基高比在0.62.0之間，大多數(shù)情況下在0.91.2之間，適用于目標(biāo)的三維定位。 QuickBird Basic立體影像產(chǎn)品的影像支持文件(ISD)主要包括立體文件(Stereo File)，它包含了立體采集的幾何參數(shù)：交會角(convergence angle)、不對稱角(asymmetry angle)和平分線高度角(bisecter elevation angleBIE)，它們反映了兩條光線在地向點上交會的幾何關(guān)系。交會角是前后兩條光線在交會平面內(nèi)的夾角

25、；不對稱角是交會角平分線與地面點鉛垂線在交會面上的投影之間的夾角；平分線高度角則是指交會角平分線與水平面之間的夾角。123 SPOT-5衛(wèi)星系統(tǒng) SPOT-5計劃起始于1994年10月，原定于2001年12月發(fā)射，最終在2002年5月4日凌晨1時31分(GMT)，由Ariane 4火箭從圭亞那航天發(fā)射中心將其成功送入太空。它采用傾角98.7、高822km的太陽同步軌道，重3000kg，當(dāng)?shù)貢r間10:30左右通過赤道。SPOT-5衛(wèi)星由法國空間局(CNES)設(shè)計，與比利時和瑞典合作完成，設(shè)計壽命5年，是SPOT系列地球觀測系統(tǒng)的最后一顆衛(wèi)星，性能也最先進。1傳感器系統(tǒng) SPOT-5上除搭載高分辨

26、率幾何成像裝置HRG(High Resolution Geometric，起源于SPOT-4的HRVIR)和植被探測器(VEGETATAION)外，新增了一套高分辨率立體成像裝置HRS(High Resolution Stereoscopic)。 HRG裝置由法國THOMSON公司制造的兩條線陣CCD探測器構(gòu)成，每條長12000像元，CCD器件的物理尺寸為6.5m x 6.5m，它們安置在同一焦平面上，并在飛行方向和線陣方向上分別交錯半個像元排列。通常情況下，HRG裝置獲取5m分辨率的全色影像，為進一步提高分辨率，HRG采用了一種新的成像模式超級模式(Supermode)，可將地面分辨率提高到

27、2.5m，即所謂的“亞像元”技術(shù)。HRG的成像條帶保持以往60km的寬度，長度在60km到80km之間。SPOT-5的傳感器系統(tǒng)還集成了3條多光譜波段(G、R、NIR)和1條短波紅外(SWIR)線陣CCD探測器，能分別獲取10m分辨率的多光譜影像和20m分辨率的短波紅外影像。 SPOT-5在SPOT-1到4號衛(wèi)星的基礎(chǔ)(jch)上進一步提高了立體成像能力，可以獲取同軌或異軌立體影像。HRG裝置通過側(cè)擺可在不同軌道對同一地區(qū)成像，獲取異軌立體；HRS裝置由前視、后視相機組成，相機的望遠鏡系統(tǒng)在軌道面內(nèi)前后偏離鉛垂線的夾角均為20。飛行期間，前視傳感器首先對目標(biāo)成像，90s后后視相機對該地區(qū)第二次

28、成像，因此HRS裝置在同一軌道上幾乎在同一時刻以同一輻射條件獲取立體影像，避免了由于成像時間差過大引起的影像色調(diào)變化，便于后續(xù)的攝影測量處理。HRS裝置的線陣CCD探測器長12000像素，工作在全色波段，影像的分辨率在飛行方向(fngxing)為10m，線陣方向為5m，立體覆蓋面積為600km x 120hn。HRS裝置獲取的同軌立體影像的基高比可達0.84，良好的基高比保證了生成DEM的精度。SPOT-5采用了新的恒星跟蹤儀和定軌裝置DORIS，可以更精確地測定衛(wèi)星位置和姿態(tài)，從而有效地提高了影像的定位精度。2SPOT-5的超級(choj)模式 超級模式(Supermode)是SPOT-5特

29、有的影像重采樣技術(shù)，它可利用兩幅同時獲取的5m分辨率的全色圖像重采樣得到2.5m分辨率的全色圖像。這項新技術(shù)是法國空間局CNES的專利。 重采樣過程包括以下三步： a)內(nèi)插。兩幅5m分辨率的影像是隔行掃描的，通過內(nèi)插得到中間行的像素值； b)去卷積。利用HRG裝置的反傳遞函數(shù)構(gòu)造的濾波器進行濾波，消除影像的模糊； c)消除噪聲，消除去卷積過程引入的噪聲。 圖12是SPOT-5超級模式處理過程的示意圖，它可由兩幅12000 x12000像素、5m分辨率的全色影像A和B生成24000 x24000像素、2.5m分辨率的高分辨率影像。3數(shù)據(jù)(shj)產(chǎn)品簡介 SPOT-5數(shù)據(jù)產(chǎn)品(chnpn)總體分為兩類：SPOT Scene產(chǎn)品和SPOT View產(chǎn)品。 (1)SPOT S