以下文章来源于经纬石旁话遥测 ，作者王建荣等
本文改编自学术论文
《光学测绘卫星现状与发展趋势分析》
刊载于《武汉大学学报（信息科学版）》2023年第3期
王建荣1, 2 杨元喜1, 2 胡燕1, 2 缪毓喆1, 2
1.地理信息工程国家重点实验室, 陕西 西安, 710054
2.西安测绘研究所, 陕西 西安, 710054
王建荣
博士，研究员，主要从事卫星摄影测量研究。jianrongwang@sina.com
杨元喜
博士，研究员，中国科学院院士。yuanxi_yang@163.com
摘要
卫星摄影测量是获取地球地理空间信息的重要手段，也是解决全球无图区或困难地区测绘的有效途径。简要梳理了光学测绘卫星的发展历程，对中国光学测绘卫星进行了详细介绍，经过多年的技术发展，中国光学测绘卫星成果已能满足1∶5万、1∶1万比例尺测绘产品的精度要求。对光学测绘卫星发展现状进行了归纳总结，并提出未来测绘卫星的发展趋势，包括星上智能探测与存储、星上和地面数据智能处理及多星组网协同探测等。在全球高精度基础信息数据支撑下，未来摄影测量卫星可向集成型、泛在型和智能型发展，提升测绘产品的保障能力。
引用
王建荣, 杨元喜, 胡燕, 缪毓喆. 光学测绘卫星现状与发展趋势分析[J]. 武汉大学学报 ( 信息科学版), 2023, 48(3): 333-338. doi: 10.13203/j.whugis20220074
卫星摄影测量是以人造地球卫星、宇宙飞船或航天飞机等航天器作为运载工具，搭载摄影相机、星敏感器(或星相机)以及全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)等在轨道空间对地球或其他星球进行探测，并根据获取的信息进行摄影测量处理，制作地理信息产品。卫星摄影测量不受地区和国界的限制，可以在轨获取任意地区的遥感数据，是获取全球地理信息数据的重要手段，也是解决全球无图区或困难地区测绘的有效途径。光学测绘卫星就是利用卫星摄影测量理论和方法，实现无地面测量的全球目标定位(简称无控定位)和地理信息产品的测制。卫星平台搭载的测绘相机从最初的框幅式胶片相机，发展到现在的线阵电容耦合器件(charge coupled device，CCD)、面阵互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)相机，都需获取立体影像进行后续测绘处理。框幅式胶片相机通常利用在不同摄站对同一区域摄影实现立体影像，线阵CCD、面阵CMOS相机则可以利用三线阵或两线阵相机获取立体影像，也可以利用单线(面)阵相机通过卫星平台同轨或异轨摄影获取立体影像。本文简要梳理了光学测绘卫星的发展历程，对光学测绘卫星发展面临的问题进行了归纳总结，并提出未来测绘卫星的发展趋势。
1 返回式光学测绘卫星发展历程
返回式测绘卫星发展源于美国20世纪60年代的阿波罗月球探测工程，随后在对地观测中发挥重大作用。返回式测绘卫星搭载框幅式相机实施静态摄影，获取中心投影影像，影像几何保真度好。同时，可采用增大航向像幅的相机，获得较好的基高比，是实现无控或少量控制获取全球测绘产品的有效途径。如苏联先后发射了上百颗返回式测绘卫星，搭载KFA200、大幅面相机(TK350)等测绘相机获取立体影像，基本实现全球1∶5万比例尺数字高程模型的测制。中国于20世纪70年代开始返回式测绘卫星的研究，先后成功研制了第一代和第二代返回式测绘卫星，实现了境外无控定位和部分区域1∶5万比例尺地理信息产品测制，在西部测图中发挥了重要作用。
2 传输型光学测绘卫星发展
尽管返回式卫星在短期内可以实现大面积摄影覆盖，但卫星在轨飞行时间短，难以避开云层影响，摄影效率低，影像时效性难以保证。为弥补这些不足，往往要发射大量的卫星，耗费成本高。此外，卫星获取影像的质量只能在卫星回收后才能进行分析，无法实现在轨调整。随着光电子元件技术的飞跃发展，目前形成了以线阵CCD为主要探测器的光学测绘卫星相机体系。但由于线阵CCD相机摄影影像每行扫描影像都有独立的外方位元素，且CCD影像相邻间无刚性的联接条件，影像几何保真度达不到框幅影像水平，经典摄影测量理论无法直接使用，通常采用基于定向片法、分段多项式拟合或等效框幅像片(equal frame photo，EFP)等理论进行外方位元素的重建，实现线阵CCD像高几何保真的无地面控制点摄影测量。
2.1
国外传输型测绘卫星发展
美国于20世纪80年代提出测图卫星(mapping satellite，MAPSAT)方案，计划采用三线阵CCD相机进行全球连续覆盖模式摄影测量，并制定了1∶5万比例尺地形图精度标准，即均方根(root mean square，RMS)平面12 m、高程6 m。但由于对卫星平台稳定度精度要求较为苛刻(卫星平台稳定度要求为1×10－6 °/s)，MAPSAT卫星工程未能立项研制，然而对后续光学卫星摄影测量的发展产生了重大影响。随后德国、法国、日本及印度等国家都开展了光学立体测绘卫星的研发并成功发射，如模块化光电多光谱扫描仪(modular optoelectronical multispectral scanner，MOMS-2P)、地球观测系统SPOT-5(systeme probatoire d’observation delatarre)、先进陆地观测卫星(advanced land observing satellite，ALOS-1)、制图卫星(cartography satellite，Cartosat-1)在全球地理信息数据获取方面发挥了重要作用，如SPOT-5曾经作为1∶5万比例尺测绘的主要数据源。但上述卫星影像经过系统定位精度检测后，无控定位精度均未满足1∶5万比例尺RMS平面12 m、高程6 m的测图要求，均需少量控制点参与，如表 1所示。
表 1 全球连续覆盖卫星定位精度统计
在利用光学立体测绘卫星获取全球基础框架数据的基础上，美国、法国等积极研究高分辨率商业遥感卫星模式，采用局部区域覆盖摄影模式进行同轨或异轨立体影像获取，生产相应的测绘产品。随着卫星平台稳定度、机动能力及姿态测定精度的不断提高，高分辨率商业卫星也可以实现较高的无控定位精度，主要用于部分区域测绘和修测的需求，如伊科诺斯、下一代商业成像卫星系统WorldView系列、SPOT 6/7卫星等。俄罗斯2007年启动新一代军用传输型光学测绘卫星系统——“猎豹-M”的研发，该卫星系统作为返回型光学测绘卫星Kometa系列的替代品，主要任务是测制1∶1万比例尺高精度数字高程模型等测绘产品。
2.2
中国传输型立体测绘卫星发展
中国于20世纪80年代开始传输型光学测绘卫星的相关技术研究，经过40多年的理论研究和工程实践，形成了以天绘一号为代表的1∶5万立体测绘卫星和以高分七号为代表的1∶1万立体测绘卫星体系。天绘一号卫星是中国首颗传输型立体测绘卫星，01星于2010-08-24成功发射，天绘一号卫星搭载线阵面阵混合配制(line-matrix CCD，LMCCD)相机和高分辨率相机等有效载荷，主要用于1∶5万比例尺地理信息产品测制和无控高精度定位，并分别于2012、2015、2021年发射了02、03及04星。天绘一号卫星立足LMCCD相机和多功能等效框幅相片光束法平差理论，经过多年的理论研究和工程验证，形成了无控定位理论体系(见图 1)，实现了高精度无控定位的工程目标。其中，03星无控定位精度达到平面3.7 m、高程2.4 m(RMS)，04星定位精度与03星相当。
图 1 天绘一号卫星无控定位研究历程
2012-01-09，资源三号01星成功发射，卫星搭载三线阵相机获取立体影像，用于1∶5万比例尺地理信息产品测制。资源三号01星影像在无控条件下，定位精度为平面10 m、高程5 m(RMS)。在少量控制点条件下，定位精度为平面3 m、高程2 m(RMS)。为提高资源三号的无控定位精度，资源三号后续星搭载了一台用于对地观测的激光测距仪，02、03星分别于2016、2020年发射。资源三号03星借助激光测距仪，数据经过大区域平差处理后，影像的平面和高程精度均达到5 m(RMS)。
天绘一号卫星和资源三号卫星都采用三线阵CCD相机获取立体影像，同时搭载星敏感器和GNSS等有效载荷，实现1∶5万比例尺地理信息产品测制。天绘一号卫星基于小卫星平台，实现了无控高精度定位与测绘产品测制。资源三号卫星基于大卫星平台，影像分辨率相对较高，主要用于有控条件下定位与测绘产品测制。为了实现无控高精度定位，02、03星还搭载激光测距仪，用于提高无控定位精度，取得了较好效果。资源三号卫星与天绘一号卫星有效载荷主要技术参数如表 2所示。
表 2 天绘一号和资源三号卫星有效载荷主要参数
在天绘一号和资源三号测绘卫星工程取得突破的基础上，中国又研发了高分七号、高分十四号卫星。高分七号是中国首颗亚米级高分辨率光学传输型立体测绘卫星，主要用于有地面控制点条件下1∶1万比例尺地理信息产品测制。该卫星搭载两线阵立体相机，幅宽20 km，其中前视影像分辨率0.8 m，后视影像分辨率0.64 m，多光谱影像分辨率2.6 m。为了提高高程精度，卫星还搭载2束激光测距仪。高分七号01星于2019-11-03成功发射。文献[22]对高分七号定位精度进行了实验分析，经过激光测高点辅助多条带区域网平差后，定位精度可达到平面3.57 m、高程0.79 m(RMS)。
2020-12-06中国成功发射了高分十四号卫星，该卫星采用了先进的多载荷一体化对地观测技术，一次摄影可同步获取幅宽40 km的0.6 m分辨率两线阵影像、2.4 m分辨率多光谱影像、9.9 km幅宽的高光谱影像，卫星上也搭载3束激光测距系统用于提高高程精度。卫星平台上还搭载2台高精度星相机和一套光轴位置测量装置，用于精确计算外方位角元素和实现对在轨摄影期间相机夹角、焦距的实时变化测量及监测。经国内外多条航线的初步定位精度检测，单航线无控定位精度达到平面1.83 m、高程0.93 m(RMS)。
高分七号和高分十四号卫星均采用激光加两线阵相机的摄影体制，卫星有效载荷主要技术参数如表3所示。高分七号主要用于有控条件下1∶1万比例尺地理信息产品测制，而高分十四卫星主要用于无控高精度定位和1∶1万比例尺地理信息产品测制。因此，为了实现无控高精度定位，与高分七号相比，高分十四号还搭载高精度星相机和一套光轴位置测量装置，确保实现无控高精度定位以及定位精度的一致性。高分十四号卫星运行一年多以来，对其无控定位精度进行持续检测评估，光轴位置记录测量数据对定位精度发挥了重要贡献，尤其是平面定位精度，可以实现基于星载相机参数在轨标定和光轴位置数据辅助进行全球范围内无控高精度定位，显著提高全球目标定位精度。
表 3 高分七号和高分十四号卫星有效载荷主要参数
3 光学测绘卫星发展面临的问题与趋势
3.1
光学测绘卫星发展面临的问题
光学测绘卫星经过几十年的发展，取得了较为丰富的研究成果和较好的经济效益，但也面临以下几个问题：
(1)摄影数据有效率低。虽然传输型光学测绘卫星较返回式测绘卫星可以长期在轨运行，但光学测绘卫星在轨摄影中易受气象条件影响，虽然卫星摄影任务规划中根据气象预报信息制定摄影计划并上注指令任务，但无法实时动态更新气象信息调整摄影策略，导致摄影数据中存在大量无效数据，造成星上存储资源和数据传输资源的浪费，据统计，每天摄影数据有效率仅为40%左右，这也是所有光学测绘卫星以及遥感卫星面临的共性问题。
(2)数据传输压力大。大幅宽、高分辨率立体影像是光学立体测绘卫星的显著特点，在相同摄影条件下，光学立体影像是单线阵相机影像的2倍或3倍，进而在轨摄影数据量远大于其他光学遥感卫星，比如高分十四号卫星每天摄影后原始码流的数据量约为3.4 TB。测绘卫星巨大的数据量对星上数据传输通道数量、性能以及地面站的布局都提出了较高要求，即使采用中继卫星进行数据传输，当前仍然无法完全解决数据传输的瓶颈问题。
(3)影像获取时效性低。立体测绘卫星为了保证获取影像几何质量，对卫星平台稳定性和姿态测定精度要求都较高。立体测绘卫星平台大都具有快速机动能力，但为了保证高精度定位，一般不宜使用大侧摆机动摄影，即使使用侧摆角也是控制在10°以内。因此，立体测绘卫星重访时间难以提高，获取影像的时效性有限。
3.2
光学测绘卫星发展趋势
根据光学测绘卫星目前发展现状和实际应用需求，未来发展应重点针对以下几个方面：
1) 星上智能探测与存储。一方面通过星上增加功能相对单一的气象要素探测设备，做到准实时预报，避免无效摄影；另一方面利用人工智能等前沿技术，开展星上在轨光学遥感数据实时智能云判技术研究，实现星上无效摄影数据的自动剔除，无需存储和下传，大大节省星上存储空间和数传资源。
2) 星上和地面数据智能处理。提高星上数据智能处理能力，对于在地面能自动化处理的部分功能移植到星上进行处理(如卫星轨道、姿态等公用信息处理)，直接下传结果数据，其余数据分专业在地面进行处理。同时，提高地面数据处理自动化和智能化水平，充分利用可靠的地面高精度控制数据，实施局部智能数据平差和更新，确保全球基础测绘产品的现势性和可靠性。
3) 多星组网协同探测。多星组网可以增大覆盖区域，提高对地观测时间分辨率和影像的保障时效。同时，微波卫星和光学卫星协同探测可以实现各自优势互补。因此，从卫星的最初设计到在轨运行，要充分考虑到不同卫星组网运行的几何构型、轨道面位置、轨道倾角以及不同载荷类型卫星的合理搭配等方面，确保实现不同纬度区域数据的全天时、全天候获取能力。
此外，未来测绘卫星应具备传感器的高度集成、智能存储与传输以及卫星与火箭智能安全管理等功能，提高测绘卫星的观测效率和处理效能，提升测绘产品的保障能力。
4 结语
光学测绘卫星经过几十年的发展，无论是有效载荷(如测绘相机、星敏感器等)、卫星平台的研制，还是卫星摄影测量理论的建立与实践，都取得了可喜的成果。中国的光学测绘卫星历经50多年的发展，影像分辨率从第一代返回式测绘卫星的8 m提高至高分十四号卫星的0.6 m，定位精度尤其是无控定位精度从最初的300 m提升至高分十四号卫星的2 m左右，中国光学测绘卫星摄影测量成果达到了国际同等级光学卫星的精度水平。但光学测绘卫星发展也面临诸多问题，如摄影数据有效率低、数据传输能力有限等。未来测绘卫星发展趋势需重点关注星上智能探测与存储、星上和地面数据智能处理及多星组网协同探测等技术，在全球高精度基础信息数据的支撑下，集成型、泛在型和智能型测绘卫星可能成为一种趋势，能大幅提升测绘产品的保障能力。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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