高分辨率光学遥感卫星宽幅成像技术发展浅析

胡 芬，金淑英

(1.国家测绘地理信息局 卫星测绘应用中心，北京 100048；2.武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079)

0 引 言

幅宽又称为覆盖宽度或轨道覆盖宽度，是指遥感器对地扫描成像时的地表覆盖有效宽度，其决定因素通常来自于应用需求和工程技术条件两个方面。随着空间对地观测技术的发展，光学遥感卫星的空间分辨率不断提高，最高已经达到分米级并趋向厘米级发展。和空间分辨率一样，幅宽也是影响光学卫星遥感应用的重要指标。尽管理论上分辨率高和覆盖宽度广是技术上相互制约的两个方面，实际工程中仍然可寻求多种途径对高分辨率光学遥感卫星的成像覆盖能力加以保障甚至是提升。如采用多片CCD拼接设计以增大相机有效视场[1-5]；采用多台视场重叠的线阵CCD相机对地组合成像[6-9]；基于卫星的敏捷机动能力获取多条带拼接影像[10-14]；在多星组网模式下实现对地协同广域观测等。考虑到测绘领域对高精度地理信息获取的要求，高分辨率光学遥感卫星系统的宽幅立体影像获取能力也显得尤为重要。

本文分析了国内外光学遥感卫星高分辨率宽幅成像技术进展，介绍了多CCD内视场拼接、多相机外视场拼接、敏捷成像、多星组网等主流的宽幅对地观测手段，并在此基础上展望了相机垂轨摆扫成像和大面阵相机敏捷拼幅成像等新型宽幅成像方式，有助于系统地了解星载宽幅成像技术的发展特点及趋势，能够起到一定的参考作用。

1 当前主流的宽幅成像方式

1.1 多片CCD拼接增大相机的有效视场

宽视场角线阵CCD传感器的定位主要在中分辨率（米级、十米级）、低几何精度的遥感应用上，具有视场角大、几何畸变差明显、覆盖能力强、同一地区重复观测周期短等特点，其影像在全球变化研究、资源调查、环境保护、减灾救灾等方面能够发挥较大作用。单片CCD的像元个数有限，为了保证获取的高分辨率遥感影像具有一定的幅宽，在高分辨率空间相机的设计上，通常将多片CCD 连接排列以获得较大的成像视场。为提高成像系统的灵敏度和信噪比，国际上高分辨率光学遥感卫星大多采用时间延时积分电荷耦合元件（TDI CCD）作为成像传感器件[1-5]。由于TDI CCD在物理结构上是一个小面阵，加上受器件外壳包装等物理因素的限制，多片TDI CCD在焦面上很难直接按照一条直线进行物理排列，而是通常采用视场拼接或光学拼接的成像系统设计方式，如图1所示。前者将多片TDI CCD在焦平面上装配成上下交错的双列，以QuickBird、IKONOS、资源一号02C（ZY-1 02C）、天绘一号（TH-1）等卫星所搭载的高分辨率相机为代表[3-4]；后者通过分光等模式将焦平面上交错安装的多片TDI CCD形成一条近似直线的连续扫描阵列，如Pleiades、资源三号（ZY-3）等卫星上搭载的高分辨率相机采用的就是光学拼接成像系统设计[1-2]。

图1 多片CCD焦面排列示意图Fig.1 Illustration of the focal plane layout of multiple sensor lines.

相机获取的原始影像，受传感器焦平面摆放位置及其误差、相机光学系统畸变、偏流角控制偏差、卫星姿态变化、地面起伏、行积分时间变化等因素的影响，难以直接形成一幅覆盖相机全视场的连续无缝影像。为了满足后续影像产品的生产要求，必须对原始数据进行高精度内视场拼接，对于该问题的研究已有大量的成果[2-3,5]，并在实践中得到了成功应用。

1.2 多相机多角度视场拼接

为了更大程度地增加覆盖能力，国产高分辨率遥感卫星常采用多相机拼接成像技术，即将多台视场重叠的CCD线阵相机沿垂轨方向安置，同时对地推扫成像，实现高分辨率与宽覆盖的结合，以北京一号（BJ-1）、资源一号02C(ZY-1 02C)、高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)等卫星为代表。一般情况下，卫星平台搭载两台,如图2所示,或多台并行排列的CCD线阵相机，使得单轨覆盖宽度成倍增加，同时单景影像具有成像倾角大的特点。如BJ-1小卫星的有效载荷包括4 m分辨率的全色相机和32 m分辨率的多光谱相机，多光谱每个波段由两台相机同时对地观测，可处理形成600 km的大幅宽影像[6]。在增加单轨扫描宽度提高覆盖能力的同时，由于宽视场角、倾斜摄影以及未经过卫星严格几何检校等原因，使得影像的几何变形较为复杂。

图2 双相机宽幅成像系统示意图Fig.2 Illustration of wide swath imaging mode by a dual-camera system

ZY-1 02C卫星搭载有两台空间分辨率为2.36 m的全色HR相机，两相机镜头在星下点重叠一定视场角，外视场拼接后的幅宽可达到54 km。作为高分辨率对地观测系统的首发星, GF-1卫星在宽覆盖光学遥感技术方面有较大突破,配置了两台相同的分辨率为2 m全色/8 m多光谱组合而成的全色多光谱（P/MS）相机，双相机的主光轴之间有一定的夹角，经视场拼接后的幅宽优于60 km；星上还配置有4台垂轨安置的中分辨率（星下点分辨率16 m）宽视场（WFV）相机，经视场拼接后的幅宽优于800 km[7]。GF-2卫星也配置了两台相同的P/MS相机，其全色分辨率1 m，多光谱分辨率3.2 m，双相机组合成像幅宽优于45 km，实现了广域高清观测。法国SPOT-7卫星上载有两台新型空间相机（NAOMI），总幅宽优于60 km[8]。

此外，有学者设想在卫星上以一定交会角安装三台线阵相机，每台线阵相机具有用于立体测绘的第一成像探测器和用于宽幅成像的第二成像探测器，通过切入反射镜来实现两个成像探测器的切换[9]。如图3所示,当进行宽幅成像时，卫星偏航一定角度飞行，每台线阵相机通过第二成像探测器先后对地面相邻的条带进行成像，等效于对地面一个宽的条带进行分段拼接成像进而提升幅宽。这种集立体测绘和宽幅成像于一体的光学相机设计思路，能够从理论上实现单颗卫星的功能复用，提高卫星在轨资源的利用率。

图3 基于三线阵相机的宽幅成像示意图Fig.3 Illustration of wide swath imaging mode by a triple linear-array camera

由于需要搭载多台相机并刚性固连，这种宽幅成像方式对卫星平台提出了很高的要求且成本较高。每台相机有一套独立的光学系统，遵循各自的几何成像模型和辐射传输模型，这给后续几何处理和大区域定量遥感研究带来了额外工作，如多相机定向、外视场拼接等。

1.3 卫星姿态快速机动下的宽覆盖影像获取

以美国为首的西方航天大国都在大力发展新型敏捷卫星，并且对卫星的快速姿态机动和高精度控制稳定能力提出了严格要求。新型敏捷卫星能够在姿态机动的过程中开启光学相机进行成像，并具备多点目标成像、多角度目标立体成像、多条带拼幅成像等工作模式，对于宽度与长度明显大于相机成像幅宽的区域目标，能够在多条带拼幅成像模式下将区域目标分解为多个可观测的条带，然后利用卫星的姿态机动能力连续调整相机指向，根据成像指令依次扫描各个条带以实现对区域目标的完全覆盖。

美国的高分辨率光学遥感卫星基本属于此类敏捷卫星，在空间分辨率达到分米级并逐步接近厘米级的同时，也拥有较强的覆盖能力。如WorldView-3卫星搭载的高分辨率相机幅宽只有13.1 km，却能够沿轨获取66.5 km×112 km连续覆盖区域的影像，66.5 km的幅宽甚至优于目前2m左右分辨率量级卫星的幅宽。值得一提的是，这种宽幅成像模式同样满足测绘对立体影像获取的需求。如图4所示，卫星完成一个立体条带推扫后，在继续飞行过程中立即进行俯仰方向的反向机动，同时通过一定角度的侧摆将卫星指向平移不到一个幅宽的距离，使得后一次推扫的立体条带与前一次推扫的立体条带相邻，从而达到增大立体幅宽的目的，有效解决了分米级超高分辨率立体影像幅宽受限的技术难题[11-13]。显然，这种立体条带拼幅成像模式对卫星姿态的机动能力和成像任务规划提出了更高要求。法国的Pleiades 1A/1B属于敏捷卫星，星上装有陀螺驱动装置，可以在7s内将卫星姿态调整5°，或在25s内调整60°，同样也具备多点目标成像、多角度目标立体成像、多条带拼幅成像等工作模式。

图4 基于敏捷卫星条带拼幅成像的宽幅立体影像获取示意图Fig.4 Illustration of wide swath stereo-imagery acquisition by multistrips splicing imaging of agile satellites

我国也在积极地研制和发射敏捷卫星。2015年10月发射的吉林一号(Jilin-1)小卫星是我国首个商用遥感卫星星座，包括1颗光学遥感主星、1颗灵巧成像验证星和2颗灵巧成像视频星，其中主星的全色影像分辨率为0.72 m，多光谱分辨率为2.88 m，具备常规推扫成像、大角度侧摆成像、同轨立体成像、多条带拼幅成像等多种成像模式。2016年12月发射的高景一号(SuperView-1)双星是中国航天科技集团公司商业遥感卫星系统“16+4+4+X”的首发星，由2颗分辨率为0.5 m的光学小卫星组成，也是当前我国分辨率最高的商业遥感卫星。卫星各配置一台高性能光学相机，全色分辨率达到0.5 m，多光谱分辨率为2 m，幅宽12 km。得益于自身的敏捷特性，SuperView-1卫星拥有多条带拼幅成像、多目标成像、立体成像和连续条带成像四种成像模式，其中多条带拼幅成像模式满足了宽覆盖影像获取的需求，可最多实现5条带拼接成像，覆盖面积达60 km×70 km，兼具了高分辨率和大幅宽的双重优势。

对于获取的原始多条带影像，需要进行必要的地面处理以满足遥感定量化应用的要求。

1.4 多星组网实现对地广域观测

要兼顾高分辨率与宽覆盖成像，单颗卫星的能力仍然是有限的。通过多星组网构成虚拟星座，能够获得更大的影像获取能力和更高的时间分辨率，实现对指定大区域的高分辨率持续观测。目前，美国的QuickBird、GeoEye-1、WorldView-1/2/3/4卫星构成了高分辨率卫星星座，一天可对同一地区成像4次；法国形成了由SPOT-6/7、Pleiades-1A/1B四颗卫星组成的星座，极大地提高了对目标区域的影像获取能力，SPOT-6/7可提供60km大幅宽的1.5 m分辨率影像产品，Pleiades 1A/1B可提供0.5 m分辨率的影像产品；印度的Cartosat系列的4颗卫星Cartosat1/2/2A/2B也已经组成星座；以色列也在计划研制发射包括EROS-A1～A2和EROS-B1～B6在内的8颗EROS小卫星，由此组成商业对地遥感卫星星座，一天可对同一地区成像2次。

在国内，ZY-3卫星系列、TH-1卫星系列均已发射多星并在轨组网运行，对同一地点的重访周期缩短至3天以内。北京二号（BJ-2）是由3颗高分辨率小卫星组成的民用商业遥感卫星星座（DMC3），于2015年7月发射，全色分辨率为1 m，多光谱分辨率为4 m，成像幅宽达23.5 km，具备正负45°的侧摆机动能力，基于该星座仅用一天便能对全球任一地点进行重复观测。通过双星或多星影像无缝拼接，加快了区域影像的获取速度。多星组网能有效缓解短周期宽覆盖影像获取的技术难题。由于卫星的轨道参数及其观测范围不同，如何将指定观测区域有效地按不同卫星参数进行分解是需要考虑解决的主要问题。

多星编队组网最能体现微小卫星的优势，也是微小卫星应用的一大特点。将若干颗微小卫星按一定要求分布在单轨道或多轨道平面上组成编队飞行星座，构成一个大“虚拟卫星”，根据任务调整编队形状和卫星数目。与单颗大卫星相比，其发射成本并未增加，但系统受损性低，且在数据获取方面具有覆盖全、更新及时的优势。如Planet Labs公司研制的Planet遥感卫星群是目前全球最大规模的微小卫星星座群,可实现每天获取一遍全球覆盖影像，空间分辨率可达2.5m。

为便于分析，表1列出了国内外部分光学遥感卫星所采用的宽幅成像方式，可以看出至少采用了上述4种宽幅影像获取方式中的一种。

表1 部分光学遥感卫星所采取的宽幅成像方式列表Tab.1 List of wide swath imaging mode of some optical remote sensing satellites

这4种主流的宽幅成像方式各有特点，具体见表2。多相机外视场拼接这种方式主要被国内的中高分辨率光学遥感卫星所采用，国外采用的不多。国外高分辨率商业光学遥感卫星绝大多数都是敏捷卫星，能在姿态快速机动下实现基于单台相机的宽覆盖影像获取，并通过多星组网提升成像覆盖能力。近年来，国产高分辨率光学遥感卫星的姿态敏捷能力和多星组网能力有较大提升，使成像方式变得更加灵活，在宽幅影像获取能力方面与国外先进水平的差距不断缩小。

表2 不同宽幅成像方式的优缺点及适用性分析Tab.2 Advantages, disadvantages and applicability analysis of diあerent wide swath imaging modes

2 新型的宽幅成像方式

2.1 线阵或面阵相机垂轨摆扫成像

垂轨摆扫成像方式具有以时间换空间、成像范围广、成像分辨率高的优点，为高分辨率光学卫星宽幅对地观测体制提供了一种全新的思路和解决途径。这种宽幅成像系统主要由一台光学线阵（或面阵）相机和摆动反射镜构成，摆动反射镜可转动地设置于光学相机的前端[15-16]。卫星在轨运行至对地观测区域时开始工作：摆动反射镜处于初始位置时，相机成像一次获取初始子帧；随后摆动反射镜开始转动，每次转过一定角度，稳定后光学相机成像一次获取各中间子帧，重复该过程直至摆动反射镜到达终止位置，光学相机随之成像一次获取结束子帧，由此单帧影像获取完毕；摆动反射镜迅速转回至初始位置，再重复沿垂轨方向摆动，光学相机随之继续成像获取其他单帧影像，相邻单帧影像之间有重叠，最终实现对目标区域的全覆盖[16]。

由于摆动反射镜的转动导致成像关系较为复杂，无法由原始子帧直接形成一幅连续无缝且内部精度高的宽视场单帧影像，高精度的几何预处理是消除原始单帧图像内部几何畸变的关键环节。为了获取清晰的像质，这种摆扫成像方式对卫星平台的稳定度有很高的要求，如图5所示。

图5 摆扫宽幅成像地面覆盖示意图Fig.5 Illustration of the wide swath imaging ground coverage by whiskbroom scanning

2.2 航天大面阵相机敏捷拼幅成像

不同于线阵相机的动态成像，面阵相机属于静态成像，几何性能好，对卫星平台稳定度要求低，应用处理便捷。进入21世纪，大容量面阵CCD技术有了较大幅度的进展。依靠大视场光学系统设计、面阵CCD拼接等技术提升星载面阵相机的像元规模[17-18]，能在一定程度上满足卫星宽幅对地观测的要求。对于敏捷卫星，可以考虑基于姿态的快速机动能力不断调整相机的光轴指向，由单台大面阵相机沿同一轨道多角度曝光成像，形成多种基高比配置的立体像对，满足不同地形地区高分辨率观测条件下的综合立体探测[17]，同时也可以借鉴WorldView-3/4卫星的宽幅成像模式，由单台大面阵相机进行敏捷拼幅(立体)成像，由此获取更大的成像幅宽及地面覆盖范围[18]。对于获取的原始多幅面阵(立体)影像，需要进行相应的几何处理和辐射处理以满足大范围区域遥感定量化应用的要求，如图6所示。

图6 航天面阵相机敏捷拼幅成像示意图Fig.6 Illustration of agile splicing imaging of the spaceborne array camera

3 结束语

国际上光学遥感卫星正加速升级换代，其空间分辨率正在以每10年一个数量级的速度提高，高分辨率、超高分辨率是新一代光学遥感卫星空间分辨率的主流发展趋势。与此同时，注重高空间分辨率与强覆盖能力协调发展，已成为高分辨率光学遥感卫星发展的重要趋势，也体现了测绘及相关行业领域应用的内在要求。随着空间分辨率和卫星敏捷能力的不断提升，多条带拼接宽幅成像方式将逐渐成为国产高分辨率光学遥感卫星的主流；此外，多星组网、微小卫星组网编队也是高分辨率光学遥感卫星提升数据获取能力的重要发展方向。随着新型传感器技术及成像体制的发展，相机垂轨摆扫成像、大面阵相机敏捷拼幅成像等新型的宽幅成像方式将有望变为现实。同时，需要针对各种新型成像方式所获取的原始影像特点，研究和突破其数据处理的关键技术，以满足后续高精度应用的要求。