论文推荐｜李德仁院士：中国高分辨率光学遥感卫星及其测绘应用
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21世纪以来，许多国家都在大力发展空间遥感，建设高分辨率的地球观测系统。在高分辨率对地观测系统重大专项工程的指导下，中国高分遥感成像技术不断取得突破和进步，高分遥感卫星发展势头强劲，已经形成了一个相对稳定、完善的高分地球观测系统。高分遥感卫星的发展极大地促进和丰富了现代测绘技术和方法。
为总结回顾我国高分辨率遥感卫星的发展和测绘应用，同时分析十年来中国高分项目的成就和不足，李德仁院士、王密教授、蒋捷教授联合撰写了学术论文China’s high-resolution optical remote sensing satellites and their mapping applications，系统回顾了我国高分辨率遥感卫星的发展现状、成图模式及应用，并探讨全球和无地面控制的高分辨率地球观测系统的发展趋势，为我国高分辨率遥感卫星的后续发展提供参考。
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Deren Li, Mi Wang & Jie Jiang(2020) China’s high-resolution optical remote sensing satellites and their mapping applications, Geo-spatial Information Science， DOI: 10.1080/10095020.2020.1838957
以下为论文主要研究内容：
回顾我国高分辨率遥感卫星的发展。从与他国联合制造到自主研发，我国发射的遥感卫星的空间分辨率、波段数和回访周期不断提高，观测的光谱范围和覆盖范围不断扩大。
概述我国商用高分辨率遥感卫星的发展。目前我国的商用高分辨率遥感卫星星座主要包括TripleSat、吉林一号、珠海一号、SuperView-1系列卫星等。
以国内典型测绘卫星ZY-3、GF-7为例，阐述高分辨率光学卫星的测绘模式及其应用。此外，还展示了单线阵/面阵测绘卫星的成像模式及其特点。
文中还列出了中国高分辨率遥感卫星和中国商用遥感卫星的主要参数。
近年来，我国高分辨率遥感卫星发展不断取得重大进展，单星性能不断提高，多星组网成为趋势，商用卫星应用稳步推进。
然而，全球覆盖和地图更新的任务仍然艰巨：
无地面控制测图系统有待进一步发展
雷达卫星干涉测量、激光高度计等新的测图技术必须不断突破，以补充传统的光学卫星测图手段
高分辨率遥感卫星观测系统有待进一步完善，以更好地服务于测绘应用。
这为后续十年中国高分系统的发展和中国遥感卫星测绘应用的方向指明了道路。
前沿观点
“高分项目于2010年启动实施，建设独立先进的高分辨率遥感卫星，显著促进了整个遥感产业基础技术水平的提高，带动了我国高分辨率卫星的广泛发展。
The GaoFen project was launched and implemented in 2010 to build an independent and advanced HREOS, significantly promoting the improvement of the basic technology level of the entire remote sensing industry and driving the widespread development of high-resolution satellites in China (Zhao 2019).
形成了以高分卫星为首，集国内各类卫星于一身的高分辨率遥感影像系统，提高了独立高分辨率遥感数据的充足率和数据采集的及时性。
Over the past decade, China has independently developed, launched, and operated multiple series of high-resolution satellites, including ZiYuan series (ZY) and GaoFen series (GF) (Xu, Gong, and Wang 2014). The technology gap with foreign countries is narrowing, even reaching the leading level of similar satellites launched by other countries in the world. Private enterprises are being increasingly involved in the commercialization of remote sensing satellites, thus enriching independent high-resolution remote sensing data sources. China’s HREOS, led by GaoFen satellites and gathering various domestic satellites, has been formed to improve the sufficiency rate of independent high-resolution remote sensing data, as well as the timeliness of data acquisition.
In 2012, the first civilian high-resolution optical transmission mapping satellite of China, ZY-3, was launched (Li 2012). The Three-Line Array Camera (TLC) it is equipped with can achieve three-view stereo imaging with a resolution of 2.1 m in nadir view and 3.5 m in forward view and backward view.
ZY-3 stereo images can be used to produce a topographic map with a scale of 1:50,000. In 2016, ZY-3 02 satellite was launched, operating in a network with the launched ZY-3 satellite. The resolution of the forward and backward images increased from 3.5 m to 2.5 m.
In 2015, four of the Jilin-1 series satellites were launched with one rocket. Jilin-1 is China’s first truly independent commercial remote sensing satellite series.……After 9 launches, 16 satellites of Jilin-1 constellation are in orbit and operate in a network，which can revisit any place in the world 5–7 times a day, providing sufficient remote sensing data for various fields.
The SuperView-1 satellite constellation is China’s first commercial satellite constellation that can achieve high agility and multi-mode imaging. BSVT is responsible for the global commercial operation of this constellation. It will be completely built by 2022.
Based on the principle of photogrammetry, mapping by a high-resolution optical satellite mainly complete the elevation survey by obtaining the same-orbit or different-orbit visual stereo images from different views in the same region. Mapping modes have three main forms: TLC, DLC, and Single-Line Array/Area Array Camera (SLC/SAC).
The stereo imaging modes of SLC and SAC are shown in Figures 6 and 7, respectively. During a satellite’s flight along one orbit, the imaging attitude of the satellite is adjusted, while the SLC pushes and scans the same object along the satellite’s flight direction. With attitude conditions permitting, SLC can obtain image pairs with multiple base-height ratios. SAC does not need to push and scan and one exposure can obtain one image. Through attitude adjustment, SAC can also achieve multi-view imaging for the same region.
作者简介
李德仁 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授、学术委员会主任。1991年当选中国科学院院士，1994年当选中国工程院院士。他在德国斯图加特大学获得博士学位，2008年被授予瑞士ETH荣誉博士称号。主要研究方向包括摄影测量学和遥感学、全球导航卫星系统、地理信息系统及其创新集成和应用。
Deren Li is a professor and chair of the Academic Committee of the State Key Laboratory for Information Engineering in Surveying, Mapping, and Remote Sensing, Wuhan University. He was selected as a member of Chinese Academy of Sciences in 1991 and a member of Chinese Academy of Engineering in 1994. He got his PhD degree from University of Stuttgart, Germany. He was awarded the title of honorary doctor from ETH, Switzerland in 2008. His research interests include photogrammetry and remote sensing, global navigation satellite system, geographic information system, and their innovation integrations and applications.
王 密 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室教授。2001年获武汉大学博士学位。他的研究方向包括高分辨率遥感卫星地面处理以及摄影测量学和地理信息系统的集成和快速更新。
Mi Wang is a professor at the State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping, and Remote Sensing, Wuhan University. He received the PhD degree from Wuhan University in 2001. His research interests include high-resolution remote sensing satellite ground processing and the integration and rapid update of photogrammetry and GIS.
蒋 捷 北京建筑大学地理信息与城市空间信息学院教授。2000年获中国矿业大学（北京）博士学位。主要研究方向包括卫星遥感信息提取、网络地理信息服务、室内外导航地理数据模型等。
Jie Jiang is a professor at School of Geomatics and Urban Spatial Informatics, Beijing University of Civil Engineer and Architecture. She received the PhD degree from China University of Mining and Technology (Beijing) in 2000. Her research interests include satellite remote sensing information extraction, network geographic information service, and indoor and outdoor navigation geographic data model.
文章图表
图1 由GF-6卫星获得的P、 MS和WFV图像
表1 中国高分辨率遥感卫星的主要参数
表2 我国商用高分辨率卫星的主要参数
图2 TLC立体成像模式
图3 ZY-3覆盖山东省的TLC图像
图4 中国高山测绘成果：（a）高精度绘图结果；（b） Nanga Parbat地区测绘结果。这一绘图结果将与1930年至1980年代德国绘制的历史地图以及ESRI使用其他卫星图像和软件绘制的地图进行比较。稍后将分析该地区近几十年来的环境变化。
表3 ZY-3卫星的测绘精度
图5 DLC立体成像模式
图6 SLC立体成像模式
图7 SAC立体成像模式
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1957年，前苏联发射了世界上第一颗人造卫星，开启了从太空观测地球的时代。1972年，美国第一颗陆地观测卫星Landsat-1成功发射，实现了中分辨率卫星对地观测。1986年，法国第一颗地球资源观测卫星SPOT-1发射升空，开启了遥感卫星民用市场。1994年，美国发布PDD-23号令，放开1m高分辨率数据和遥感卫星系统的出口，推动高分辨率卫星的发展。
1999年，美国发射了第一颗分辨率为1 m的高分辨率商用卫星IKONOS，标志着商用卫星新时代的开始。高分辨率卫星出色的观测能力具有巨大的军事和经济效益。一些国家正在竞争开发高分辨率地球观测系统（HREOS），许多高分辨率卫星已经成功发射，如QuickBird、WorldView、昴宿星、CARTOSAT等。在中国遥感领域多位院士的共同倡议下，HREOS被列为《国家中长期科学技术发展规划纲要（2006-2020年）》（2016年）的重大科技项目（简称高分项目）。高分项目于2010年启动实施，建设独立先进的高分辨率遥感卫星，显著促进了整个遥感产业基础技术水平的提高，带动了我国高分辨率卫星的广泛发展。
2020年是中国高分项目的最后一年。在过去的十年中，中国自主研发、发射和运行了多个系列的高分辨率卫星，包括资源系列（ZY）和高分系列（GF）。与国外的技术差距正在缩小，甚至达到世界同类卫星发射的领先水平。私营企业越来越多地参与遥感卫星的商业化，从而丰富了独立的高分辨率遥感数据源。形成了以高分卫星为首，集国内各类卫星于一身的高分辨率遥感影像系统，提高了独立高分辨率遥感数据的充足率和数据采集的及时性。
本文在总结分析我国高分辨率卫星和商用高分辨率卫星发展现状的基础上，介绍了我国高分辨率卫星的测绘模式和应用，有助于了解我国高分辨率卫星的发展进程，为今后高分辨率卫星的发展提供参考。
01 中国高分辨率遥感卫星发展
中国从2007年发射CBERS-02B卫星开始研制高分辨率遥感卫星。由中国和巴西联合制造的CBERS-02B卫星首先配备了一个2.36 m高分辨率相机。它在轨道上运行了2年零7个月，于2010年4月退役。2011年，我国发射了自主研制的ZY-102c卫星，其载荷性能与CBERS-02B卫星相同，取代CBERS-02B卫星用于国土资源调查。
2012年，中国第一颗民用高分辨率光传输测绘卫星ZY-3发射升空。它配备的三线阵相机（TLC）可以实现三视立体成像，最低点分辨率为2.1 m，正视图和后视图分辨率为3.5 m。ZY-3立体影像可以生成比例尺为1:5万的地形图。2016年，ZY-3 02卫星发射，与发射的ZY-3卫星在网络中运行。前后向图像的分辨率由3.5m提高到2.5m。
2013年，高分项目第一颗卫星GF-1发射升空，成像特点如下：高分辨率2 m，宽800 km。2014年，发射了第一颗空间分辨率优于1 m的民用亚米遥感卫星GF-2。随后，高分辨率地球静止卫星GF-4（最大数据速率为每分钟三次图像捕获）、具有陆地和大气综合观测能力的高光谱卫星GF-5、第一颗具有超大成像宽度的精密农业观测卫星GF-6，亚米分辨率的立体测绘卫星GF-7等先后发射。
2018年，我国第一颗民用高分辨率卫星星座发射升空，由3颗性能和状态相同的GF-1 02/03/04卫星组成。这三颗卫星联网后，实现了15天全球覆盖和2天重访的成像能力。这三颗卫星还与2013年发射的GF-1卫星合作，可实现11天的全球覆盖和1天的重访。
我国发射的高分辨率遥感卫星主要成像参数见表1。遥感卫星的空间分辨率、波段数和回访周期不断提高，观测的光谱范围和覆盖范围不断扩大。图1显示了三个GF-6卫星图像，包括全色图像、多光谱图像和超宽覆盖图像。图1（a）显示了2019年9月9日获得的分辨率为2 m的全色图像，覆盖中国石家庄。图1（b）显示了分辨率为8 m的多光谱图像，与图1（a）相对应。图1（c）显示了GF-6卫星于2019年5月6日获得的800 km宽的WFV图像，覆盖天津、北京、河北和山西北部。
02 我国商用高分辨率遥感卫星的研制
2015年，英国制造的TripleSat卫星星座发射升空，由三颗光学遥感卫星组成，具有1 m全色和4 m多光谱成像能力。这个卫星星座可以实现1 d的重访。
2015年，吉林一号系列卫星中的4颗用一枚火箭发射。吉林一号是中国第一颗真正独立的商用遥感卫星系）。四颗卫星分别是：一颗全色0.72 m、多光谱成像能力2.88 m的光学卫星GXA，两颗分辨率为1.12 m的超清晰视频卫星SP01和SP02，一颗分辨率为5 m的智能验证卫星LQ，六颗视频卫星SP03–08。此后发射了2颗26波段的多光谱卫星GP01和GP02，3颗全色和多光谱光学卫星GF03a、02A和02B，1颗宽测绘带卫星KF01。经过9次发射，吉林一号星座的16颗卫星在轨运行并形成网络，每天可重访世界任何地方5-7次，为各个领域提供了充足的遥感数据。
2016年，SuperView-1 01和02卫星用一枚火箭成功发射。2018年，SuperView-103和04卫星发射升空。四颗设计参数相同的SuperView-1系列卫星在同一轨道网络中运行，分辨率为0.5 m，可以在1天内重新访问任何目标。SuperView-1卫星星座是中国首个能够实现高敏捷性和多模成像的商用卫星星座。BSVT负责该星座的全球商业运营。它将于2022年建成。
自2017年起，珠海一号商用微纳卫星星座已发射升空。奥比塔计划为这个卫星星座发射34颗卫星。至此，共发射了3批12颗卫星。第一批包括两颗视频卫星OVS-1A和1B，它们可以获得分辨率优于1.98 m的高分辨率彩色视频数据。第二批包括一颗视频卫星OVS-2和四颗高光谱卫星OHS-01、02、03和04。OVS-2卫星的空间分辨率从OVS-1的1.98m提高到0.9m，OHS-01、02、03和04卫星可以获得256个波段的高光谱数据。第三批卫星数据和类型与第二批相同。
03 高分辨率光学卫星成图模式的发展与应用
随着高分辨率卫星性能和种类的不断提高，高分辨率卫星测绘已成为获取必要地理信息的成功手段，是国家重要的基础性战略资源。基于摄影测量原理，高分辨率光学卫星测图主要是通过在同一区域的不同视点上获取同一轨道或不同轨道的视觉立体图像来完成高程测量。映射模式有三种主要形式：TLC、DLC和单线阵列/面阵相机（SLC/SAC）。本节以国内典型测绘卫星为例，介绍高分辨率光学卫星测绘模式及其应用。
ZY-3测绘卫星
ZY-3卫星是我国第一代高分辨率民用立体测绘卫星。星载薄层摄影测量是我国最早采用的星载摄影测量方法。TLC由前进、后退和最低点线阵推扫传感器组成。TLC的立体成像模式如图2所示。最低点传感器垂直于卫星下方的点，向前传感器从最低点传感器向前倾斜+22°，向后传感器向后倾斜−22°。TLC沿飞行方向连续推进，生成三幅宽度为52km的重叠条带图像。因此，获得了同一接地点的三视图立体图像。通过建立严格的目标-图像空间关系，通过正交集计算出立体图像中相应图像点的目标坐标。然后，可以绘制地形图。
最低点传感器的空间分辨率为2.5 m，而前向和后向传感器的空间分辨率为3.5 m。最低点图像具有较高的空间分辨率，通过垂直于地面成像，可以将地形起伏引起的投影差异降至最低。使用最低点图像生成高分辨率正射影像，使用三视图立体图像计算高程。
ZY-3卫星还配备了一个6.8 m的多光谱传感器，包括蓝、绿、红和近红外光谱波段。多光谱图像与高分辨率全色图像融合后，可以提高地物解译精度。自2012年发射以来，ZY-3卫星数据已应用于多种测绘应用，全面支持国家1:5万一级地理信息数据库动态更新、第一次国家地理普查、1:25生产等国家重大测绘工程，2000西部地区的数据面模型。
以覆盖山东省的150幅TLC图像为试验数据（如图3所示），利用1090个实测高精度全球定位系统（GPS）检查点对ZY-3卫星的成图精度进行了测试。ZY-3无地面控制点分块平差（BA）前后影像几何定位精度见表3。BA前图像定位精度较差，无明显系统误差。BA后，平面和高程的均方根误差（RMSE）均大于5m，图像整体精度一致。同时，利用GLAS采集的LAD，配合ICESat，可将ZY-3的高程精度进一步提高到3m以内。
武汉大学等在无GCPs的BA、高性能计算等处理技术的支持下，研究了无GCPs的大比例尺、高精度测绘技术和软件，使用来自全国各地ZY-3卫星的数万张TCL图像演示应用。ZY-3高精度成图结果如图4（a）所示。北京建筑大学、汉诺威莱布尼兹大学、萨尔茨堡欧洲科学与艺术学院和ESRI开展了高山测绘国际合作研究。中国利用武汉大学开发的测绘技术和国产软件，利用ZY-3影像完成了喜马拉雅山最西端南嘎帕尔巴特地区的高山测绘，如图4（b）所示。这一绘图结果将与1930—1980年代德国绘制的历史地图以及ESRI使用其他卫星图像和软件绘制的地图进行比较。稍后将分析该地区近几十年来的环境变化。
单线阵/面阵测绘卫星
与ZY-3、GF-7等专业测绘卫星不同，配备单摄像机的高分辨率遥感卫星具有特定的测绘能力。这些卫星装备有SLC或SAC，主要利用姿态机动对同一物体进行多视点观测，如SuperView-1卫星和吉林一号视频卫星。SLC和SAC的立体成像模式分别如图6和图7所示。在卫星沿一条轨道飞行的过程中，卫星的成像姿态被调整，而SLC则沿卫星的飞行方向推动和扫描同一物体。在姿态条件允许的情况下，SLC可以获得具有多个基高比的图像对。SAC无需推扫，一次曝光即可获得一幅图像。通过姿态调整，SAC还可以实现同一区域的多视点成像。
采用SLC或SAC进行多视点立体观测的测绘卫星需要高稳定度的姿态控制和高精度的姿态、轨道参数测量。虽然SLC和SAC的分辨率可以达到亚米级，但与TLC和DLC的稳定映射模式相比，它们的几何控制能力较弱。SLC和SAC需要大量的地面控制来实现大比例尺的测绘。此外，SLC和SAC的成像宽度受其亚米分辨率的限制，例如空间分辨率为0.5m的SuperView-1卫星的测绘带宽度仅为12km。因此，SLC和SAC的映射对象主要面向关键目标的局部小区域。
04 结论
关于 Geo-spatial Information Science
Geo-spatial Information Science（GSIS）是由武汉大学主办的测绘遥感专业英文期刊，主编为中国科学院院士、中国工程院院士李德仁教授。2020年9月被SCIE收录。
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