专业科普 | 光学摄影测量卫星发展

光学摄影测量卫星发展

王建荣   王任享   胡莘

（地理信息工程国家重点实验室）
（西安测绘研究所）

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 引言

光学卫星摄影测量是获取全球地理空间数据的有效手段。近半个世纪以来，光学摄影测量卫星从以胶片框幅式相机为载荷的返回式卫星，发展为以CCD 相机为载荷的传输型卫星。20 世纪80 年代，美国提出MAPSAT 卫星工程用于实现全球无地面控制点条件下摄影测量，推动了从无控定位研究到依靠少量控制点参与处理的转变。

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 光学卫星摄影覆盖模式

   光学卫星摄影测量摄影模式主要包括全球连续覆盖和局部区域覆盖。

   全球连续覆盖模式的光学卫星，主要特点是光学有效载荷采用立体相机（双线阵或三线阵相机）获取同轨立体影像，立体影像地面覆盖宽度较大。

   局部覆盖摄影模式的光学卫星，通常搭载单线阵相机获取影像，其主要特点是影像分辨率高、敏捷机动性强及重访周期短等。在无控定位方面，无控定位精度的提高主要得益于以星敏感器为主的姿态测定系统精度的提升，与影像分辨率关系较小。

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 摄影测量处理的关键技术

1. 相机几何参数在轨标定

   在有控制点定位中，几何参数变化影响的定位误差大部分可以被应用的地面控制点消除，但在无控定位中，需采用在轨几何标定方法加以改正。目前，大部分遥感卫星普遍采用附加参数的自检校区域网平差方法进行在轨标定，其标定对象主要针对单个相机，将单个传感器的系统误差予以消除。但对于立体测绘相机而言，相机之间的交会角是影响高程精度的重要因素。参数在轨标定若仅从单个相机出发，忽视立体相机的整体性，将会影响后期的定位精度，尤其是高程精度。利用空中三角测量光束法平差也是进行相机参数在轨标定的有效途径。

   基于LMCCD影像的光束法平差，采用等效框幅式影像构网的思想，将4个小面阵影像坐标作为连接条件，较好地解决了航线模型的系统变形。在此基础上，按反解空中三角测量原理进行三线阵相机的参数重组，并且在解算中增加了主距精确预估和自适应调整等措施，解决了宽高比太小问题，实现对相机参数可靠的在轨标定，其标定结果适用于全球，无需在国外设立标定场。

2. 空中三角测量平差

   空中三角测量光束法平差是提高卫星影像定位精度的有效手段，通过光束法平差，可以使外方位元素误差对摄影测量精度的影响缩小约0.6倍。对于线阵卫星影像，航线影像系动态摄影，目前主要采用定向片法和等效画幅法进行光束法平差。在线阵影像无地面控制条件下光束法平差中，定位精度不仅受制于轨道测量、姿态测量以及像点量测等误差大小，还受卫星平台稳定度、有效载荷的稳定性以及相机参数在轨标定精度等因素的影响。

   对于光学卫星影像而言，在一个有效摄影条带中三线交会区的影像只有约三分之一，会造成影像利用效率的极大降低。全三线交会EFP光束法平差理论，可使两线交会区的精度达到三线交会区的水准，解决了短航线三线阵影像光束法平差精度低的难题。同时，偏流角修正的余差、姿态测定系统低频误差以及姿态测定系统突变等因素，均影响着无控定位精度，需在空中三角测量光束法平差中加以处理。

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 无控定位的实质及评估

1. 无控定位的实质

   有控定位精度主要取决于参与计算地面控制点的数量、精度及分布等因素，可用于评价卫星影像内部符合精度。无控定位是仅依靠卫星获取的影像以及配套的辅助测量数据实施的高精度定位。有些遥感卫星影像处理时，将公开发布的SRTM和Google影像作为底层数据，在后台隐性参与计算，用于提高和保证“无控”定位精度，这并不是真正意义上的无控，全球定位精度的一致性和可靠性难以保证。

2. 无控定位精度评估

   首先应保证检查点或控制点具有较高的精度，无粗差存在，且点位在卫星影像上易于判读。其次，这些点不能参与摄影测量处理，仅作为外部独立条件用于统计无控定位精度。在定位精度统计过程中，要明确误差统计时的置信区间，在与其它卫星影像定位精度比较时，换算至统一标准进行比较，避免出现偏差。

   无控定位精度检测必须在全球范围内进行，这样才能得到全面、可信的定位精度结果，作为卫星定位精度的评价依据。

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 结束语

   基于全球连续覆盖模式的光学卫星摄影测量实现全球高精度无控定位，对星上硬件设备和卫星影像地面测绘处理均提出较高要求。对于以三线阵CCD相机为有效载荷的光学卫星，其无控定位技术和理论都已成功应用并得到验证；对于以双线阵CCD相机为有效载荷的光学卫星，其无控定位理论与三线阵影像无控定位理论还有较大差别。

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 作者简介

   王建荣，男，1975年生，获长安大学博士学位，副研究员。研究方向为摄影测量理论及工程实践。 

   王任享，男，1933年生，中国工程院院士，摄影测量与遥感专家，长期从事摄影测量与遥感的科学研究工作。

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 引用格式

   王建荣, 王任享, 胡莘. 光学摄影测量卫星发展[J]. 航天返回与遥感, 2020, 41(2): 12-16.

  WANG Jianrong, WANG Renxiang, HU Xin. Development of Optical Satellite Photogrammetry[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(2): 12-16. (in Chinese)

文章选自《航天返回与遥感》2020-02

高分七号卫星遥感技术专刊

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来源：航天返回与遥感 转自：中山大学测绘科学与技术学院

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