高分多模卫星星地一体化专项工程研究与应用

郭丁 孟令杰 于龙江 时魏旭 李姗姗 范立佳 余婧 姜洋

(1 中国空间技术研究院，北京 100094)(2 国家国防科技工业局重大专项工程中心，北京 100101)(3 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(4 太原卫星发射中心，太原 036301)

2020年7月3日，高分辨率多模综合成像卫星(以下简称“高分多模卫星”)在太原卫星发射中心发射入轨。高分多模卫星作为《国家民用空间基础设施中长期发展规划(2015—2025年)》中分辨率最高的光学遥感卫星、首颗入轨的科研卫星，其成功发射和在轨应用，标志着我国光学遥感卫星的设计、研制与应用水平已进入国际先进行列。

高分多模卫星配置了高分辨率光学相机、大气同步校正仪、数据传输系统(含在轨图像处理、区域提取功能)、星间激光通信系统等有效载荷，并采用全新一代中型敏捷遥感卫星公用平台，实现灵活丰富的敏捷成像模式、高效智能的任务管理能力，满足用户对高分辨率、高精度光学图像的迫切需求[1]。

从国外高分辨率遥感卫星发展情况来看，在卫星入轨前均进行了长期、扎实的星地一体化技术攻关与配套产品开发工作。美国“世界观测”(WorldView)系列卫星在发射前对有效载荷光谱响应标定方法、8谱段多光谱数据处理与应用方法、卫星任务定制及任务规划方法等进行了深入研究[2-3]，确保了卫星入轨后图像数据在植被分类、水深分析、岩性分析、三维重构等方面发挥良好作用。法国昴宿星(Pleiades)系列卫星在发射前对星地任务体系架构及工作流程进行了详细设计，对面向复杂应用场景的任务规划算法、大气路径影响校正算法、立体影像处理方法等进行了技术攻关和产品开发，基于GeoStore网站的数据订购系统向全球用户提供了便捷的服务[4]。

在高分多模卫星的立项与整个研制过程中，国防科工局重大专项工程中心作为工程主管部门，充分重视卫星的研制与应用能够紧密结合、有机衔接，组织星、地参研单位论证并实施了“星地一体化专项”工作，围绕卫星像质保证、任务定制、数据处理、在轨综合效能评估等任务部署了研究课题，解决长期以来存在的遥感卫星入轨后载荷定标周期长、图像质量存在认知短板、任务定制灵活性差、数据信息挖掘不充分、卫星效能评估定量化程度不足等问题。卫星入轨后，作为研究成果的算法、软件等迅速得到了工程应用，为卫星应用效能的充分发挥提供了重要保障。

1 星地一体化专项方案设计

高分多模卫星主要服务于自然资源、应急管理、农业农村、生态环境、住建、林业和草原等行业，并支持其他行业与区域的应用。按照我国民用空间基础设施规划的指导思想，要求高分多模卫星能够切实服务用户业务需求、保障在轨应用效能、促进遥感产业发展。综合考虑高分多模卫星分辨率高、数据量大、敏捷能力强、成像模式多、在轨数据处理、智能任务管理等特点[5]，按照综合统筹规划的原则开展了天地一体图像质量提升、图像压缩质量评价、基于深度学习的图像检索、面向移动终端的任务管理、应用效益综合保障和工程综合效能评估等研究项目。

1)天地一体图像质量提升

以全链路保障与提升卫星图像质量为目标，开展针对性的研究工作。在图像几何质量方面，结合卫星的敏捷机动成像能力与特点，研究天地一体定标模式设计、无场或稀少控制点定标、地面定标数据处理分析等技术，解决星体姿态高频变化(相比姿态测量系统测姿频率)、相机-星敏夹角周期性变化、主动推扫复杂变形[6]等问题，形成系统的图像几何质量提升方法。在图像辐射质量方面，研究高分辨率成像条件下自动化辐射定标技术及处理算法，制定卫星在轨常态化的辐射定标方案，实现无场、快速的相对辐射定标和绝对辐射定标。天地一体的图像质量提升构架见图1所示。

图1 天地一体图像质量提升技术架构

2)图像压缩质量评价

高分多模卫星分辨率高、数据量大，必须采用星上数据压缩技术才能缓解卫星数据下传的压力。在此背景下，图像压缩造成的像质损失是无可避免的，但其损失程度如何、影响效应如何，各方存在不一致的理解和认知。因此开展更为有效的星上数据压缩方法研究和评价，以实现在轨数据的减少、同时保障地面重构遥感图像的质量[7]。主要开展面向典型场景、典型任务的图像压缩质量评价研究，通过分析星上压缩算法压缩前后图像的二维失真度、光谱失真度、空间失真度等客观指标，以及图像在地物分类、目标检测、特征提取与匹配等典型应用中的效果差异，完成对图像压缩方法的性能评价。

3)基于深度学习的图像检索

高分多模卫星在轨工作时间长、空间分辨率高，获取图像中包含海量信息。如何对感兴趣的特定地物、已知特征目标或近似特征目标等进行高效检索、自动识别、快速提取与分类统计等，是应用中亟待解决的问题。传统的遥感图像检索和识别算法一般都需要人工手段提取样本特征，然后选择适当的分类器进行训练，不仅提取过程繁琐，无法适应图像获取环境条件的变化或目标的变化，而且检测和识别结果具有很大的不确定性。深度学习方法，可以自主学习数据的表示方式和特征，大幅提高图像检索和识别精度[8]。项目设计轻量级特征区网络，利用基于深度哈希学习的卫星图像数据高效索引技术，实现在大量遥感图像数据库中的快速高效检索，采用图神经网络对检索的卫星图像进行重排序，大幅提升检索结果与用户需求的相关度，并实现对检索结果智能统计分析。

4)面向移动终端的任务管理

随着高速移动网络的普及、移动终端处理能力的不断提升，用户对于高分辨率、敏捷成像卫星数据的使用习惯必然向移动端转变，这一发展趋势与需求对高分多模卫星的业务运行管理模式提出了新的挑战。为提升用户定制任务、管理订单、追踪流程的便利性，研究并开发适用于移动终端的任务管理软件，在技术层面综合采用B/S软件系统架构、基于地理信息系统(GIS)的场景显示、目标区域自动分割、一键式任务规划、元任务自主生成等技术，实现集用户需求采集、需求统筹、任务规划、订单追踪于一体的地面管控软件系统，建立终端用户和卫星系统间的任务流程通路，更好地服务用户，牵引并推动高分辨率、敏捷机动卫星的商业化与产业化应用发展。

5)应用效益综合保障

为充分挖掘和发挥中型敏捷平台和高分多模卫星的公益价值和商业价值，更好的满足相关行业的应用需求、产生更好的社会效益，紧密联系自然资源、应急管理、农业农村、生态环境、住建、林业和草原等行业的业务应用需求，结合高分多模卫星图像数据的特点和优势，以应用示范的形式开展应用效益综合保障研究工作。具体内容包括对卫星图像数据的产品体系进行梳理分析、对各行业相关应用产品进行详细定义、对多种敏捷成像模式的应用流程和效果进行在轨测试、对行业主体业务进行实际应用测试等，以提升高分多模卫星图像数据在行业的应用技术水平、发挥卫星的应用潜力。

6)工程综合效能评估

高分多模卫星作为业务化运行的应用类卫星，是国家民用空间基础设施的重要组成部分、按照国务院相关要求开展的政府和社会资本合作(PPP)示范项目，需要开展第三方的卫星工程综合效能评估。研究借鉴国内外遥感卫星应用效能评价指标体系，结合高分多模卫星特点，建立评价模型，对高分多模卫星的系统效能、技术能力、自主可控能力及国际竞争力等进行全面评价，完成卫星工程效能的综合客观评估。通过该项工作，实现民用航天卫星工程管理的有益探索，促进民用空间基础设施建设成果落地、遥感卫星系统星地协同发展、全寿命周期应用潜力开发和能力提升，同时促进平台和技术成果的应用推广，提升工程项目的经济效益和商业价值。

2 星地一体化专项成果及应用

1)天地一体图像质量提升

开展了系统的研究工作，包括：提出了不依赖定标场的几何辐射定标方法，实现了基于星上冗余观测信息的高频姿态反演、基于异源控制点的图像处理精度提升等技术，构建了交会角自适应平差模型。完成了天地一体图像质量提升与稳定性保障软件研制开发，处理精度达到国内行业领先指标水平，与国际同类卫星WorldView系列等相当。

针对高分多模卫星影像分辨率高、难以获取定标基准、利用传统定标方法无法实现快速常态化高精度在轨定标的问题，研究设计了不依赖定标场的定标方法，保障高分多模卫星的定标效率和精度。综合利用上述技术，高分多模卫星在发射入轨后2个月内基本完成载荷在轨定标工作，实现内定标精度优于0.3像素，定标后图像定位精度得到明显提升；实现相对辐射定标精度优于3%、绝对辐射定标精度优于7%。

针对卫星敏捷成像(尤其是主动推扫成像)过程中姿态变化快、星上姿态测量系统测姿频率受限(星敏感器测量数据8 Hz)、无法反演高频姿态变化过程的问题，研究星上冗余观测信息反演星上姿态算法，形成动中成像中的复杂变形的校正处理方案。

采用基于图像特征的光学和SAR影像匹配技术，提出了异源影像的同名点获取、精确配准方案和算法，经测试验证，异源图像匹配精度可以达到1.5个像素以内，见图2所示。采用此方法，利用高分三号卫星等SAR图像提取广域控制点，基于偏移矩阵方法消除高分多模卫星光学影像中的系统误差，能够将高分多模卫星图像无控定位精度提升到5 m(1σ)以内。

图2 光学(左)、SAR(右)影像控制点匹配结果

针对敏捷成像获取的多角度影像，利用区域内多视角多重覆盖影像的几何连接条件构成区域网，同时针对区域网内存在的各种交会角条件建立自适应平差解算方法，在区域网内仅布设少量控制点的情况下，利用求解影像定向参数和加密点物方坐标的整体平差方法，同样可以提升图像平面和立体精度。

2)图像压缩质量评价

针对高分多模卫星分辨率高、多行业应用等特点，面向多用户不同业务应用场景，选取了水面、海岸、农田、城市、森林、草原、山地、海洋、沙漠等14类影像样本，对星上压缩算法及压缩比完成了主观和客观压缩评测，为在轨压缩比的选择应用提供了有力支撑。

研究确定了图像二维失真度、光谱失真度、空间失真度三个方面的9个客观指标，用于评价图像压缩重建后图像的质量，真实反映压缩算法对图像质量的影响，并开发了图像压缩失真客观评价软件系统。对1万余幅全色及多光谱影像的压缩前后质量进行对比，得到采取不同压缩比对不同地物图像数据进行压缩后，峰值信噪比的变化，见图3所示。结果表明无损压缩没有质量损失，2∶1压缩几乎无指标性差异，4∶1压缩后图像质量不影响观测，专业人员几乎无法察觉其差异。

图3 不同压缩比影响分析结果

为进一步分析图像压缩对用户定量化应用的影响，对目标分类、目标识别、特征提取、特征匹配等典型应用的效果进行量化对比。结果显示2∶1压缩后图像不影响目标识别、目标分类、特征提取等任务执行效果，4∶1压缩后图像对小目标(小于15像素×15像素)的检测效果略有影响，对农业、林业、水利等大型目标的检测与识别等任务影响较小，可以满足行业用户应用需求，如图4所示。

图4 不同压缩比下目标检测结果

通过上述工作，定量化验证了在轨图像压缩对图像质量的影响，为卫星任务规划、图像应用提供了参考。

3)基于深度学习的图像检索

针对高分多模卫星图像数据特点，收集并建立典型观测目标的遥感样本库，并通过数据增广、迁移学习等技术解决样本数据不足的问题。研究基于深度学习的目标检测与识别算法、基于哈希编码的大规模卫星图像数据索引算法、基于图学习的卫星图像检索结果重排序算法，实现了对遥感图像中特定目标的高效检索以及对检索结果的重排序技术。完成基于深度学习的卫星图像检索软件开发，软件系统框架包括数据输入模块、哈希码生成模块、检索模块、特征提取模块、显著性区域检测模块、重排序模块、交互模块及显示模块等。能够对高分多模卫星一景图像(15 km×15 km)特定目标进行高速索引；针对检索返回的图像数据，能够基于内容关联性进行重新排序，获得更好的排序结果；对于已经返回的检索数据，支持人工进行数据相关性标记，并通过进行检索结果的更新，从而优化检索结果。

以用户关注的别墅区检索为例，基于国内典型别墅区遥感图像构造了数据集，并进行模型训练。经测试，使用一块GeForce GTX 1080 Ti GPU，在14 904像素×7 840像素大小、分辨率0.6 m的高分多模卫星图像数据中，特定目标区域索引时间小于1 s；对共计440张别墅数据进行相关检测，特定目标区域召回率平均查全率为90.5%。图5给出了别墅检索结果示例。

图5 基于深度学习的别墅检索结果

4)面向移动终端的任务管理

开发了一套能够在移动终端(例如手机、PAD、笔记本电脑等)进行任务定制的APP软件系统。对于业务用户而言，具有图像数据查询、观测目标设定、观测需求设定、需求订单提交、规划及执行状态查询、图像数据接收等功能；在规划服务器端，规划软件具有场景管理、任务规划、元任务编排及规划结果统计分析等功能。整个软件系统能够辅助用户完成任务定制、任务规划结果查询，辅助卫星操作人员更便捷的使用高分多模卫星，提高卫星任务执行效率、更好的发挥卫星的应用效益。

软件系统的移动端APP使用IONIC4开发框架，绑定Web应用开发框架AngularJS，形成移动端设计方案。APP开发使用模型-视图-控制器(MVC)设计模式，将应用程序分解成若干独立的逻辑模块，实现整个系统的灵活性和重用性。搭建基于开源软件GeoServer的GIS服务器，通过GIS服务器在系统模块之间迅速共享空间地理信息。采用CesiumJS作为地理信息和卫星动态飞行过程的显示工具，由其对地理数据、地貌数据、建筑物数据、卫星模型、姿轨数据和其他数据进行处理，典型工作场景(拼幅成像)的工作过程演示，如图6所示。

图6 任务规划系统场景显示界面

服务器端任务规划软件接收移动端APP的任务定制数据，实现从任务圈次分配到规划结果输出的全流程规划过程，并完成与移动端之间的信息交互。本系统的开发，对移动端用户直接使用和调度卫星的可行性进行了探索，拓展了卫星应用模式。

5)应用效益综合保障

针对高分多模卫星图像数据特点及应用需求，对各领域内数据产品类型进行了定义，明确了各类型数据产品的应用范围、应用方向。完成高分多模卫星在轨测试与评价，开展了面向各个行业领域具体业务的应用示范研究，验证高分多模卫星数据应用能力。提出后续卫星发展的建议。

以城市园林绿地分类和绿化覆盖率产品为例，利用高分多模卫星图像数据的光谱、纹理和几何等特征信息，构建植被指数、建立解译标志库，采用监督分类与人工目视解译相结合的方法，识别城市绿地信息。按照城市绿地分类相关要求，将城市绿地分为公园绿地、防护绿地、附属绿地等类型。依据提取结果和实际数据，得出总体识别精度为89%(见图7所示)，能够准确评估区域园林绿化覆盖情况，满足城市园林绿化遥感监测的应用需求。

图7 城市园林绿地分类结果

经在轨测试与应用示范研究，高分多模卫星数据能满足大比例尺国土调查、自然资源遥感监测、灾害应急观测、农业资源调查、生态保护遥感监测、城市遥感监管、林草生态质量监测等几十项业务应用需求。

6)工程综合效能评估

根据卫星工程总体要求、结合主用户和PPP投资方主要需求，从卫星平台性能、卫星载荷性能、天地一体化服务能力、自主可控能力和国内外对比评价等5个方面开展卫星系统工程效能评估，并对比国际同类卫星，客观评价卫星国际竞争力。

依托第三方独立开展卫星工程效能评估，评估工作分为地面测试评估和在轨测试评估两个阶段完成。经评估认为，高分多模卫星在成像模式、平台设计、载荷性能等方面，都有很大的技术进步和创新性，为我国遥感卫星开启更高分辨率、更大宽幅、更精准定位、更好观测能力提供了很好的技术与工程经验。卫星在满足国内主用户任务需求的同时，也可以大力支持开发“一带一路”沿线国家和地区的商业市场需求。同时，通过独立开展高分多模卫星工程效能评估工作，对加强民用航天卫星工程管理、促进民用空间基础设施建设、推动航天强国发展具有重要意义。

3 结束语

空间基础设施科研卫星的星地一体化专项工作，是卫星工程大总体负责组织实施的一项重要任务。针对科研卫星工程星地一体化指标的实现，从工程总体、卫星平台、有效载荷、地面接收、地面处理、应用系统等方面进行系统梳理，聚焦星、地、用一体化指标体系中的薄弱和关键环节，针对性地安排研究项目，与卫星工程研制和在轨测试同步开展，打通从卫星研制到用户应用的技术链路，联合各方开展共性技术、关键技术攻关，最终通过集成、验证以确保成果支持工程实际应用。

通过高分多模卫星工程星地一体化工作的实施，统筹促进了大系统工作的协调有序开展，为高分多模卫星应用效能的充分发挥提供了重要技术保障。通过实施过程的经验和体会，对后续遥感卫星星地一体化工作的实施提出以下建议。

(1)星地一体化工作启动时间。在工程大总体工作层面，在以卫星工程研制为主线的基础上，应充分参考用户对于载荷数据特性研究、关键技术问题识别的进展，选择更合适的时间点介入并启动星地一体化相关工作，既要避免启动过早导致研究发散、成本损耗，又要避免与工程研制周期、进度的冲突等问题。

(2)多星应用效益保障统筹建设。按照当前的相关管理办法，星地一体化工作均是按照单星或一组同类卫星等单一任务进行论证和实施，在面向实际业务的应用场景、应用模式等方面均与行业用户的实际需要具有一定的差距。未来应考虑针对行业用户多源数据的需求，统筹进行统一的保障建设，能够更好地促进星地一体化工作效能提升，更好地服务于国家重大战略的推进。