几种典型高分辨率商业遥感卫星系统

几种典型高分辨率商业遥感卫星系统1．2．1IKONOS卫星系统1．基本情况IKONOS是空间成像公司(SpaceImaging)为满足高解析度和高精度空间信息获取而设计制造，是全球首颗高分辨率商业遥感卫星。IKONOS-1于1999年4月27日发射失败，同年9月24日，IKONOS-2发射成功，紧接着于10月12日成功接收到第一幅影像。IKONOS卫星由洛克希德—马丁公司(LockheedMartin)制造，重1600lb，由AthenaII火箭于加利福尼亚州的范登堡空军基地发射成功，卫星设计寿命为7年。它采用太阳同步轨道，轨道倾角98.1º，平均飞行高度681km，轨道周期98.3min，通过赤道的当地时间为上午10:30，在地面上空平均飞行速度为6.79km/s，卫星平台自身高1.8m，直径1.6m。IKONOS卫星的传感器系统由美国伊斯曼—柯达公司(EastmanKodak)研制，包括一个1m分辨率的全色传感器和一个4m分辨率的多光谱传感器，其中的全色传感器由13816个CCD单元以线阵列排成，CCD单元的物理尺寸为12μmx12μm，多光谱传感器分四个波段，每个波段由3454个CCD单元组成。传感器光学系统的等效焦距为10m，视场角(FOV)为0.931º，因此当卫星在681km的高度飞行时，其星下点的地面分辨率在全色波段最高可达0.82m，多光谱可达3.28m，扫描宽度约为11km。传感器可倾斜至26º立体成像，平均地面分辨率1m左右，此时扫描宽度约为13km。IKONOS的多光谱波段与LandsatTM的1—4波段大体相同，并且全部波段都具有11位的动态范围，从而使其影像包含更加丰富的信息。IKONOS卫星载有高性能的GPS接收机、恒星跟踪仪和激光陀螺。GPS数据经过后处理可提供较精确的星历信息；恒星跟踪仪用以高精度确定卫星的姿态，其采样频率低；激光陀螺则可高频地测量成像期间卫星的姿态变化，短期内有很高的精度。恒星跟踪数据与激光陀螺数据通过卡尔曼滤波能提供成像期间卫星较精确的姿态信息。GPS接收机、恒星跟踪仪和激光陀螺提供的较高精度的轨道星历和姿态信息，保证了在没有地面控制的情况下，IKONOS卫星影像也能达到较高的地理定位精度。2．成像原理与Landsat和SPOT-4卫星相比，IKONOS卫星的成像方式更加灵活，其传感器系统采用独特的机械设计，可以十分灵活地以任意方位角成像，偏离正底点的摆动角甚至可达到60º。IKONOS卫星360º的照准能力使其既可侧摆成像以获取异轨立体或缩短重访周期，也可通过沿轨道方向的前后摆动同轨立体成像，具有推扫、横扫成像能力。IKONOS卫星能获取同轨立体影像。当卫星接近目标时，传感器光学系统先沿着轨道向前倾斜，照准目标区域并采集第一幅影像，接着控制系统操纵传感器向后摆动，大约100s后再次照准目标区并采集第二幅影像，如图1．1所示。由于IKONOS卫星利用单线阵CCD传感器，通过光学系统的前后摆动实现同轨立体成像。因此，相应的立体覆盖是不连续的。3．CARTERRATM系列产品简介在SpaceImaging最新发布的IKONOS影像产品白皮书中，根据CE90(CircularErrorat90%Probability)及LE90(LinerErrorat90%Probability)的大小将IKONOSCARTERRA产品分为五级，分别称为Geo、Reference、Pro、Precision和PrecisionPlus，如表1.4所示。表1.4IKONOS卫星各级产品的基本信息产品类型定位精度正射纠正采集角度构成立体CE90RMSNMASGeo=50mN/AN/A否60º--90º否Reference=25.4m=11.8m1:50000是60º--90º是Pro=10.2m=4.8m1:12000是66º--90º否Precision=4.1m=1.9m1:4800是(GCP)72º--90º是PrecisionPlus=2m=0.9m1:2400是(GCP)75º--90º否(1)简单几何纠正产品。a)CARTERRATMGeo产品：IKONOS的Geo级产品包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光谱影像以及融合后的1m分辨率的彩色影像，适用于宏观观察和判读。Geo级产品经过简单几何纠正，消除了影像采集引起的几何误差，并将影像按照统一的地面采样间隔(GSD)和给定的地图投影方式重采样。Geo产品没有消除地形起伏造成的影像移位，能达到的定位精度有限。不含地形起伏影响的Geo产品标称精度为50mCE90，不适合测图。b)CARTERRATMGeoOrthoKit产品：2001年6月，SpaceImaging发布了GeoOrthoKit产品，它是Geo产品的一个分支，适用于专业用户。GeoOrthoKit产品包括Geo级影像及相应的传感器成像几何模型(ImageGeometryModel--IGM，即RPC模型)，依据IGM用户可以利用DEM和地面控制点自己制作高精度的正射影像。(2)正射纠正产品。正射纠正是为了消除地形起伏引起的误差。IKONOS经正射纠正后的影像包括Reference、Pro、Precision和Precisionplus。a)CARTERRATMReference产品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光谱影像和融合后的1m分辨率的彩色影像，适用于大面积测图以及需要1:5000比例尺正射影像的工程项目。它经过正射纠正和镶嵌，定位精度可达25mCE90。b)CARTERRATMPro产品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光谱影像和1m分辨率彩色影像，适用于无法获取控制点或地面控制昂贵、困难时，需要高空间分辨率、中等比例尺定位精度正射影像的工程项目。Pro级产品的定位精度可达10mCE90，是无地面控制条件下生成的最高精度的正射产品，能提供全球1:12000(NMAS)比例尺的正射影像。c)CARTERRATMPrecision产品：包括1m分辨率的全色影像、4m分辨率的多光谱影像和1m分辨率彩色影像。Precision级产品的精度相当于比例尺为1:4800(NMAS)地形图的定位精度，适用于大面积、大比例尺城区规划工程项目。Precision级影像采集时传感器高度角一般在72d以上，要达到其标称的4mCE90的定位精度，用户需要向SpaceImaging提供1m精度的地面控制点和5m精度的DEM。d)CARTERRATMPrecisionPlus产品：只包括lm分辨率全色影像和1m分辨率彩色影像。PrecisionPlus产品是SpaceImaging提供的最精确的IKONOS影像产品，能提供大多数城市规划项目所需的精度，定位精度最高可达2mCE90。PrecisionPlus产品的生成同样需要向SpaceImaging提供高精度的地面控制点和高质量的DEM。(3)立体影像产品。IKONOS的立体影像产品仅有1m分辨率的Reference和Precision两种级别。SpaceImaging提供给用户的IKONOS立体影像产品还附带传感器模型的有理多项式函数系数文件(RPC)，RPC文件提供地面点空间交会、DEM提取和正射纠正等摄影测量处理所需的传感器模型参数。IKONOS立体影像产品一般都经过核线重采样。a)Reference级立体产品：该产品生成仅利用了星载GPS接收机、恒星跟踪仪和激光陀螺提供的轨道星历、卫星姿态以及焦平面的视场角映射(FieldAngleMap—FAM)信息。不需要地面控制点，Reference级立体产品能达到25mCE90的平面精度和22mLE90的高程精度，也称为标准立体产品。b)Precision级立体产品：利用少量地面控制点消除系统性误差，Precision级立体产品可达到4mCE90的平面精度和5mLE90的高程精度，也称为精确立体产品。(4)产品选项。影像的位深度(灰度级)——8位或11位。影像格式——单像采用GeoTIFF或未压缩NTIF2.0格式；立体影像采用TIFF格式(核线投影)或GeoTIFF格式(地图投影)。投影方式——UTM，国家平面投影，亚尔勃斯等面积圆锥投影，兰伯特等角圆锥投影，横墨卡托投影。基准面或参考椭球——WGS84，NAD83，NAD27。分发媒介——CD-ROM，DVD，硬盘，Internet。1．2．2QuickBird卫星系统QuickBird卫星(快鸟卫星)由Ball航天技术公司(BallAerospace&Technologies)、柯达公司(EastmanKodak)和Fokker空间公司(FokkerSpace)联合研制，由数字地球公司(DigitalGlobe)运营，是目前世界上空间分辨率最高的商用卫星。早在1997年12月24日，地球观测公司(EarthWatch，DigitalGlobe公司的前身)就用俄罗斯START-1运载火箭发射了EarlyBird卫星，但卫星在入轨4天后失踪；3年以后，在2000年11月20日地球观测公司又发射了QuickBird-1卫星，仍采用俄罗斯的运载火箭发射，但卫星未入轨而宣告失败；1年后地球观测公司改名为数字地球公司，并于2001年10月18日改用美国波音公司DeltaII型运载火箭发射QuickBird-2卫星获得成功。现在我们所称的QuickBird卫星即是指QuickBird-2星。1．QuickBird的基本参数QuickBird卫星是为高效、精确、大范围地获取地面高清晰度影像而设计制造的。在当前运营和即将发射的商业遥感卫星中，QuickBird卫星能提供最大的条带宽度、最大的在线存储容量和最高的地面分辨率。卫星基本参数如表1．5所示。表1．5QuickBird卫星有关参数发射日期2001年10月18日发射装置波音DeltaII运载火箭发射地加利福尼亚范登堡空军基地轨道高度450km轨道倾角97.2º飞行速度7.1km/s降交点时刻上午10:30轨道周期93.5min条带宽度垂直成像时为16.5kmx16.5km平面精度23cm(CE90)动态范围11位空间分辨率全色：61cm(星下点)；多光谱：2.44m(星下点)光谱响应范围全色：450—900nmB：450—520nm；G：520—600nmR：630—690nm；NIR：760nm—900nm与IKONOS卫星类似，QuickBird卫星也具有推扫、横扫成像能力，可以获取同轨立体或异轨立体，但一般情况下通过推扫获取同轨立体，立体影像的基高比在0.6—2.0之间，但绝大多数情况下位于0.9—1.2范围内，适合三维信息提取。根据纬度的不同，卫星的重访周期在1—3.5d之间。垂直摄影时，QuickBird卫星影像的条带宽为16.5km，比IKONOS宽60%，当传感器摆动30º时，条带宽约19km。与SpaceImaging公司销售IKONOS卫星影像的策略不同，DigitalGlobe公司同时提供严密传感器模型和有理多项式系数模型来处理QuickBird卫星影像，以满足不同用户的需要。严密传感器模型是依据传感器的成像几何关系，利用成像瞬间地面点、透视中心和相应像点三点共线的几何关系建立的数学模型，是摄影测量学最常采用的成像模型，具有最高的定位精度，但形式较为复杂。严密模型所需的传感器成像参数、姿态参数和轨道星历保存在影像支持数据(ImageSupportData—ISD)文件中。RPC模型是对严密传感器模型的拟合，它直接提供了地面坐标同像点坐标之间的映射关系，理想情况下也能达到跟严密模型相当的定位精度。2．QuickBird影像产品根据处理程度和定位精度的不同，DigitalGlobe将QuickBird卫星影像分为五级，如表1．6所示，其中Ortho自定义级产品的定位精度依赖于用户提供的地面控制点和DEM的精度。(1)Basic级影像产品。Basic级产品只经过辐射校正和传感器扭曲校正，消除了传感器光学畸变、扫描畸变、扫描速率不均匀引