我国第一颗民用三线阵立体测图卫星——资源三号测绘卫星

2012年1月9日,我国成功发射了第一颗民用三线阵立体测图卫星"资源三号测绘卫星",资源三号测绘卫星配置2台分辨率优于3.5 m、幅宽优于50 km的前后视全色TDI CCD相机,1台分辨率优于2.1 m、幅宽优于50 km的正视全色TDI CCD相机和1台分辨率优于5.8 m的多光谱相机;为了保证精度精度和可靠性,资源三号测绘卫星采用大平台、并配置双频GPS以及多个陀螺,经过处理,资源三号无控制点直接定位优于15 m,带控制点高程精度优于3 m,平面精度优于4 m,完全满足1∶50 000测图精度。     

“天绘一号”卫星工程建设与应用

概括“天绘一号”卫星工程的建设历程和卫星系统的使命任务;介绍了卫星系统和相机载荷的能力与技术参数;重点阐述了“天绘一号”卫星无地面控制条件下的摄影测量关键技术, 包括LMCCD相机体制、航天摄影测量相机参数在轨标定技术以及无地面控制点条件的三线阵EFP影像平差技术等的运用, 通过工程实践, 达到了工程技术指标要求;最后介绍数据应用情况, 提出“天绘一号”卫星的发展设想, 为了解“天绘一号”卫星工程提供了基本参考。     

LMCCD相机影像摄影测量首次实践

LMCCD相机作为天绘一号卫星的有效载荷,是保证其实现无地面控制点摄影测量精度的关键。本文分别利用LMCCD影像和三线阵CCD影像对天绘一号卫星的相机参数进行了在轨标定计算,并利用各组在轨标定结果对定位精度（重点对高程误差）进行了统计分析。试验结果表明：与单纯的三线阵CCD影像的相比,LMCCD影像在相机参数在轨标定中能有效抵御因卫星姿态变化率导致的光束法平差航线系统变形问题,在天绘一号现有姿态变化率水平条件下,利用LMCCD影像进行相机参数在轨标定可保证天绘一号01星实现无地面控制点摄影测量精度要求。     

“天绘一号”卫星三线阵CCD影像自检校区域网平差

遥感卫星在空间环境运转过程中,星敏感器的姿态角、成像相机的镜头和CCD等几何参数会发生不可预估的变化,从而对卫星影像的定位精度产生影响。因此,对卫星影像进行自检校区域网平差处理是实现卫星影像精确定位的一项关键技术。本文以"天绘一号"卫星为研究对象,首先分析了"天绘一号"卫星三线阵立体测绘相机的镜头和CCD几何形变,并提出了适用于"天绘一号"卫星三线阵CCD影像的自检校模型;然后建立"天绘一号"卫星三线阵CCD影像的自检校区域网平差模型,对外方位元素和自检校参数进行整体平差,消除存在于外方位元素观测值和自检校标定值中的系统误差,以提高卫星图像定位精度。最后利用嵩山实验场对"天绘一号"卫星三线阵CCD影像进行了自检校区域网平差处理,验证了自检校模型和自检校区域网平差模型的正确性和有效性,并分析研究了不同数目的控制点条件对自检校区域网平差的影响。实验结果证实采用自检校区域网平差技术可以有效地消除系统定位误差,显著提高定位精度。     

China＇s First Civilian Three-line-array Stereo Mapping Satellite. ZY-3 LI Deren

2012年1月9日,我国成功发射了第一颗民用三线阵立体测图卫星“资源三号测绘卫星”,资源三号测绘卫星配置2台分辨率优于3．5m、幅宽优于50km的前后视全色TDICCD相机,1台分辨率优于2．1m、幅宽优于50km的正视全色TDICCD相机和1台分辨率优于5．8m的多光谱相机;为了保证精度精度和可靠性,资源三号测绘卫星采用大平台、并配置双频GPS以及多个陀螺,经过处理,资源三号无控制点直接定位优于15m,带控制点高程精度优于3m,平面精度优于4m,完全满足1：50000测图精度。     

天绘一号03星无控定位精度改进策略

“全球连续覆盖模式”传输型摄影测量卫星系动态摄影，无控定位模式下难以达到框幅式像片定位水平。本文在天绘一号已有研究基础上，深化03星摄影测量无控定位精度改进模式的探讨研究。在相机参数在轨标定中增加对相机内方位元素的附加改正，解决相机结构宽高比（卫星条带摄影覆盖宽度与卫星轨道高度的比值）太小对主距标定结果的影响，进而削弱系统误差，提高卫星影像的平面定位精度。通过境外地区检测，无控定位精度达到高程2.4 m（RMS），平面3.7 m（RMS）。检测结果表明，只依靠星上GNSS接收机、星敏感器，利用相机参数在境内标定结果，“全球连续覆盖模式”单航线卫星影像无控定位结果达到理论设计指标。     

“天绘一号”卫星无地面控制点EFP多功能光束法平差

无地面控制点卫星摄影测量是实现全球测绘的有效手段。实现无地面控制点摄影测量主要途径包括:一是卫星姿态稳定度达到1×10^-6(°/s);二是高精度的姿态测定系统;三是摄影测量光束法平差处理。以往受制于技术等因素, 实现无地面控制点摄影测量只能依靠摄影测量光束法平差技术。“天绘一号”卫星研发了集相机在轨标定、全三线交会光束法平差、角元素低频误差补偿及偏流角效应改正为一体的EFP多功能光束法平差技术, 并通过“天绘一号”卫星影像数据对该技术进行了验证。实验结果表明:无地面控制点定位精度达到10.3 m/5.7 m(平面/高程), 满足测制1:5万比例尺地形图精度要求     

“天绘一号”卫星在轨性能评估

“天绘一号”卫星是中国新一代传输型摄影测量卫星, 由航天东方红卫星有限公司基于CAST2000小卫星平台研制。01星于2010年8月发射成功, 02星于2012年5月发射成功。经过在轨测试, 两颗卫星性能指标均达到设计要求。本文介绍了“天绘一号”卫星在轨性能测试的结果, 为该卫星后续业务化应用提供宝贵数据。     

“天绘一号”卫星测绘相机在轨几何定标

卫星在空间环境运转过程中, 测绘相机的几何参数会发生不可预估的变化, 从而对摄影测量定位精度和数据处理精度产生影响。因此, 所有测绘卫星都对星载相机的几何参数进行在轨定标, 监测相机几何参数在轨运行状态下的变化情况。本文着重介绍了“天绘一号”卫星在轨几何定标的内容和采用的方法。     

封面说明 资源三号卫星2.1m迪拜棕榈岛融合影像

资源三号(ZY-3)卫星是中国首颗高精度民用立体测绘卫星,于2012年1月9日11:17在太原卫星发射中心发射升空。ZY-3卫星搭载了一组三线阵立体测绘相机及1台6m分辨率多光谱相机。立体测绘相机由1台2.1m分辨率正视相机和两台3.5m分辨率前、后视相机组成,以"不同视角、联合观测"的方式立体成像。图为中国资源卫星应用中心处理的2012年2月16日迪拜棕榈岛及周边区域影像,由2.1m正视相机影像和6m多光谱相机影像融合而成。     

“天绘一号”卫星在轨辐射定标方法

在轨辐射定标包括相对辐射定标和绝对辐射定标, 它是提高遥感数据定量化精度的关键步骤和重要方法。本文阐述了基于均匀场地分区综合的相对辐射定标方法、基于反照率的绝对辐射定标方法及其基本原理, 并首次将其应用于“天绘一号”卫星上的高分辨、多光谱和三线阵相机的辐射定标中。研究结果表明, 相对辐射定标过程去除了卫星图像的条带噪声, 且保存了图像细节;然后, 使用反照率基法, 通过在敦煌场地铺设灰阶靶标, 测量卫星过顶时的地物目标反射率光谱和大气信息, 对“天绘一号”卫星传感器进行了绝对辐射定标;最后, 使用辐射定标结果来反演地物反射率, 与实测的地物反射率相比误差小于5%, 验证了在轨辐射定标系数的有效性。     

基于天绘一号卫星影像的水体信息提取对比研究

针对天绘一号卫星高分辨率影像,采用面向对象分类方法对怀柔水库区域进行水体信息提取,在多尺度分割的基础上,统计地物的光谱信息、形状因子和亮度均值等,建立水体信息的特征集,充分利用高分辨率的特点提取水体信息,同时选取了参数相近的SPOT和RapidEye两幅国外高分影像进行对比研究,使用相同方法进行水体提取,对实验过程和结果进行了对比分析。针对提取结果,采用野外采样和矢量图分析两种方法综合进行精度评价,根据采样数据得到的精度分别为96.97%,95.45%,92.42%,分析实验结果的矢量图,其中天绘影像水体提取面积为5 537 412.5㎡,SPOT影像为5 398 225㎡,RapidEye影像为5 053 262.5㎡,对实际水域的面积覆盖分别达到了101.40%,98.85%,92.54%,天绘影像的整体精度较高,但在细节表现上较为模糊,主要误差来自于对湿地的误分。实验制定了适用于天绘影像的水体提取方法和规则,分析不同因素对分割与分类结果的影响,同时,我们比较了天绘影像与国外同级别高分影像的优劣性,为天绘影像的进一步应用提供了参考。     

利用激光测距数据处理线阵卫星摄影测量影像

以线阵CCD测量相机为有效载荷的传输型卫星是目前获取影像的有效途径。本文针对两线阵卫星影像摄影测量处理的相关问题,提出将激光测距数据用于相机焦距在轨标定和光束法平差的理论及数学模型,并进行了实验验证。实验表明利用激光测距数据参与两线阵影像处理,能够满足测制1∶10 000比例尺地形图精度要求。     

国产机载大视场三线阵CCD相机GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术

针对国内首台自主研制的机载三线阵CCD相机（以下简称GFXJ）,开展了国产GFXJ的GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定技术研究工作。首先介绍了GFXJ相机的成像特点,然后分析建立了GFXJ的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型,并提出了GNSS偏心矢量和视轴偏心角循环两步法标定方案,最后在国家嵩山遥感综合实验场获得了多次飞行试验数据。通过进行区域网平差和标定处理,验证了本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型的正确性和有效性,证实了本文提出的循环两步法标定方案可靠、可行,可显著提升GFXJ的几何定位精度。利用GNSS偏心矢量和IMU视轴偏心角标定值,大幅提高了GFXJ相机的无控定位精度。辅以少量控制点进行区域网平差,GFXJ影像平面定位精度可满足1：1000地形图测图的空中三角测量精度要求,高程精度距离指标要求略有差距。目前该款相机仍在校飞阶段,定型后几何性能有望进一步提高。同时,本文建立的GNSS偏心矢量标定模型和IMU视轴偏心角标定模型及提出的循环两步法标定方案,可为其他机载线阵CCD相机的标定处理提供借鉴。     

ICESat激光高程点辅助的天绘一号卫星影像立体区域网平差

无地面控制点（简称无控）区域网平差是实现卫星影像无控测图的一项重要技术,对于境外和外业测控困难区域的测图具有重要意义。然而,无控区域网平差的定位精度一般难以满足对应比例尺测图规范要求。利用公开、可稳定获取的公众地理信息数据辅助区域网平差,是提高卫星影像无控定位精度的有效途径,其中ICESat激光高程点便是一种良好的高程控制数据。为了提高天绘一号卫星影像无控定位精度,本文提出ICESat激光高程点辅助的卫星影像模型法立体区域网平差方法。首先,以30 m分辨率SRTM估算的地形坡度作为限制条件,结合激光高程点自身质量评价信息,自动提取高质量ICESat激光高程点;其次,利用自动匹配的连接点进行模型法自由网平差,实现卫星影像几何定位精度的相对一致性（内部一致性）;最后,将激光高程点自动量测至卫星影像作为控制点,其平面坐标根据自由网平差结果前方交会计算而得,高程坐标取自激光点高程,再次进行区域网平差精化定向参数,提高卫星影像的绝对高程精度。最后本文利用山东全省的天绘一号卫星影像进行试验,验证了本文方法的有效性和可行性。     

公开DEM辅助无地面控制点国产卫星影像定位方法

在全球测绘的背景下,为实现无地面控制点的卫星摄影测量,提出了利用公开DEM辅助国产卫星影像进行无控定位的方法。为充分利用公开DEM在大范围内具有一致稳定的高精度特性,将其作为基准与从影像中提取的待定位DEM进行表面匹配,匹配时采用引入截尾最小二乘估计的最小高差(LZD)法,并根据对应点高差的分布自适应探测及剔除DEM之间的差异;匹配确定的变换参数用于对直接定位结果进行物方改正。设计了多组针对天绘一号和资源三号国产卫星影像的对比试验,结果表明本方法切实可行,能充分利用基准DEM的优势,具有较好的稳健性;定位精度很大程度上取决于但不限于基准DEM的精度,基本不受其分辨率的影响;当待定位DEM分辨率较高时,单景影像利用SRTM DEM即可得到能较好满足1∶5万比例尺地形图测制要求的无控定位精度。本方法还为卫星影像定位精度的检核提供了一种新的有效手段。     

CE-1立体相机影像与激光高度计数据不一致性分析

直接利用CE－1激光高度计测高数据制作月球表面模型,分辨率、精度都较低。利用激光测高数据改善三线阵CCD数据立体定位精度是一种有效方法。通过计算立体影像外定向参数、激光脚印（footprint）月固坐标,基于物方空间到像方空间的快速反投影算法,分析研究立体影像与激光高度计数据不一致性,目的是为后续CE－1探月三线阵影像数据与激光测高数据联合平差处理提供相对基准控制。通过不一致性分析试验,得到一些有益的结论,这些分析结果有望在下一步联合平差处理中获得应用。     

天绘一号三线阵相机在轨几何参数精化

为了找到适合天绘一号卫星三线阵相机在轨几何精化的模型和算法,首先分析了外方位线元素误差在几何参数精化中的影响,然后通过对定姿数据的预处理,消除了其中含有的高频噪声,并用正弦函数补偿了卫星平台飞行过程中的低频抖动,为三线阵相机每个镜头设计了姿态角常差模型。此外,根据传统的附加参数模型,构建了直接以像素坐标为观测值的内方位元素模型,并使用单侧有控外推的方式,确定最佳的精化模型参数组合及求解策略。试验表明,采用本文的精化方案,利用合理分布的控制点,天绘一号能达到平面精度约1 GSD,高程精度约0.8 GSD。     

“天绘一号”卫星三线阵影像条带式区域网平差

针对框幅式影像传统的空中三角测量算法不适用于三线阵影像, 因此必须设计相应的数学模型。三线阵推扫式传感器在成像时, 不同扫描线对应的摄影中心位置和姿态都不一样, 空中三角测量解算时, 外方位元素个数大于观测值个数, 理论上无法解算每一条扫描线的方位元素, 因此需要采用合适的数学模型模拟卫星轨道。目前常用的有3种轨道模型:线性多项式模型, 分段多项式模型和定向片模型。本文利用“天绘一号”卫星的真实数据, 在WGS-84坐标系统下进行3种模型的平差对比试验, 同时采用不同的控制点布设方案, 分析各模型在不同控制点布设方案下所能达到的精度水平。