遥感卫星宽幅成像技术浅析

引言

遥感卫星的宽幅成像技术在遥感领域中具有重要的地位和广泛的应用前景。该技术通过获取较大的视场范围实现更广阔的地表区域覆盖，对大范围区域的监测、变化检测和灾害评估等任务至关重要。宽幅成像技术的发展得益于先进的传感器和相机技术的发展，实现了高分辨率和大视场图像获取的平衡。此外，宽幅成像技术与其他遥感数据源的融合应用也日益增多，通过将不同分辨率和视场的数据进行融合，提供了更全面、更准确的地表信息。因此，宽幅成像技术在土地利用与覆盖变化监测、环境监测、灾害评估、城市规划等领域具有广泛的应用前景。本文将对主流遥感卫星宽幅技术路线进行梳理，初步分析各路线的技术特点，并给出对未来发展趋势的判断。

一、宽幅成像技术

1多阵列式CCD/CMOS传感器拼接

对于遥感相机设计而言，长焦距和窄视场角是突出特点，同时保证影像的成像质量和大幅面范围是星载光学相机设计时面临的主要矛盾。通常采用时间延迟积分TDI（Time Delay and Integration）技术实现高性能成像，即使用多条线阵CCD组合形成面阵CCD，可实现同目标多次曝光，通过延迟积分的方法大大提高图像信噪比。但单个线阵CCD为保证较高的采样频率，其长度受到限制，因此需要多个CCD拼接来获取宽幅影像[1]，目前一般采用光学或者机械拼接的方式形成较长且非共线的CCD阵列， CMOS成像器件同理。

图 1 某型TDI CCD成像器件示意图

（注：

来源于网络https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62074）

这种宽幅成像方式使用多个CCD或CMOS传感器组成的阵列，每个传感器负责获取图像的一部分，最终通过拼接组合形成宽幅遥感相机。通过这类拼接方式可实现相机幅宽与拼接片数成正比增长的趋势，也是目前遥感相机常用的技术。例如，美国QuickBird的全色和多光谱相机采用6片CCD交错拼接构成，幅宽可达16.1km；worldview-3卫星可实现0.31m分辨率情况下幅宽达到13.1km。我国资源三号采用光学拼接的方式，其正视相机拼接方法如图2所示，通过3片CCD的拼接实现了幅宽51km的指标。

图 2  3片TDI CCD光学式拼接方法[2]

采用此类方法将多CCD/CMOS传感器通过同一光学系统汇聚到一幅遥感图像中，要形成满足后续影像产品生产要求的图像，需要解决图像区域校准、时间同步、图像拼接校正和数据高速存储等难题，目前相关解决方案已经相当成熟并广泛应用。

2多相机视场拼接

由于单台高空间分辨率光学相机的幅宽有限，为了扩大高分辨率卫星的覆盖能力，国产高分辨率卫星常采用技术之一是多相机视场拼接成像技术。该技术沿垂轨方向安置多台线阵相机，各相机之间存在一定视场重叠，并同时对地推扫成像，将多相机观测影像进行拼接形成大范围对地观测影像，从而实现高分辨率和宽覆盖的有效结合[3]。图3展示了由两台相机组成的视场拼接宽幅成像示意系统。

图 3 双相机视场拼接成像系统示意图[3]

基于该宽幅成像技术，多台相机并行排列可成倍扩宽卫星单轨扫描宽度。国内多个高分辨率卫星采用该技术，如北京一号、资源一号02C、高分一号、高分二号等卫星。以北京一号小卫星为例，其搭载32m多光谱（近红外、红和绿波段）和4m全色两种有效载荷，其中每个多光谱波段都由两台相机同时进行对地观测，将双相机独立扫描影像拼接处理成600km的大幅宽影像[4]。其多光谱相机构成和成像方式见图4。

图 4 北京一号小卫星多光谱波段宽幅成像方式[4]

多台相机的同时搭载对卫星平台的承载能力提出了较高要求，同时多相机的安装误差可能造成影像重叠区域同名点位不能完全重合，给后续数据处理带来困难。此外，每台相机从不同角度对地面进行独立观测成像，其几何成像模型和辐射传输模型的差异使影像几何变形较为复杂，因此需要重点解决多相机定向、外视场拼接等技术难题，提高多相机拼接影像几何校正精度。该宽幅成像技术多应用于非敏捷卫星，不适用于几何精度要求较高的测绘类等遥感卫星。

3环形扫描成像

随着卫星平台、姿态控制和光学传感器等技术的改进和提升，敏捷卫星得以迅速发展。敏捷卫星的有效载荷能够依靠姿态轨道控制系统实现滚动、俯仰和偏航三个轴向的机动，其高度灵活性催生了多种灵巧成像模式。其中，环形扫描成像是敏捷卫星常用的一种增加卫星幅宽的成像技术。该技术的基本成像原理是卫星平台绕天顶方向（垂直于卫星前进方向）进行360°旋转扫描，相机视场在扫描方向上不断重叠，同时沿卫星飞行方向不断向前平移，从而大幅扩展卫星成像幅宽。相较于传统推扫成像方式的直线式地面扫描条带，环扫成像的地面扫描条带呈现螺旋线式，成像幅宽由图5(a)中的SW0扩宽为图5(b)中的SW[5]。

环扫成像幅宽主要受相机侧摆角度的影响，当侧摆角度增大时，幅宽会相应增加。例如，对于一颗轨道高度为500km的光学遥感卫星，当其相机左右侧摆角度为65°时，其成像幅宽可达约3000km，是传统推扫式成像幅宽的10倍[6]。此外，当相机侧摆角度固定时，扫描成像对地面区域的覆盖程度主要受卫星旋转速度决定。当相机侧摆角度和卫星旋转速度无法匹配时，则会出现过拍摄（某些区域被多次重复拍摄）或欠拍摄（某些区域被遗漏）的情况[5]，如图6所示。

图 5 传统推扫成像和环扫成像的地面扫描条带和幅宽[5]

图 6 环形成像过拍摄和欠拍摄场景示例[5]

对于环扫宽幅成像技术，大角度倾斜成像导致同一景影像上不同像元的成像角度不同，各像元对应的地面分辨率存在较大差异。同时，单景影像覆盖范围可达上千公里，其内部地形起伏可能存在较大跨度，从而造成影像几何畸变较大，且在空间上不规则分布。因此，为了更好地应用环扫成像技术，应当充分探究如何提高环扫影像的几何纠正精度。

二、未来发展趋势

遥感卫星在军事、经济和社会生活等方面均有广泛应用，其相关产业是当前全球关注的热点。随着微电子和微机械等技术的发展，遥感卫星呈现了低成本、小型化、标准化和可批量化的发展趋势，这就要求卫星主相机具备重量轻、体积小、功耗低和成像好等特点。小卫星较强的灵活机动性将会使环形扫描成像等灵巧成像模式逐渐成为高分辨率遥感卫星扩幅的主流方式。同时，随着小卫星生产效率的提升和生产成本的降低，多星组网和多网协同也将成为提升卫星数据获取能力的重要方式，实现对全球范围高分辨率遥感影像的及时获取、大范围覆盖和高频次重访。

参考文献：

[1] Baltsavias E, Li Z, Eisenbeiss H. DSM generation and interior orientation determination of IKONOS images using a testfield in Switzerland[J]. Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 2009, 2006(1): 41.

[2] 曹彬才. 多片TDI-CCD卫星影像拼接方法研究[D].解放军信息工程大学,2014.

[3] 胡芬,金淑英.高分辨率光学遥感卫星宽幅成像技术发展浅析[J].地理信息世界,2017,24(05):45-50.

[4] 陈正超,罗文斐,张浩等.北京一号小卫星多光谱图像波段配准和图像变形评价[J].遥感学报,2006(05):690-696.

[5] 宋明珠,曲宏松,张贵祥等.航天相机环扫成像模式设计[J].红外与激光工程,2018,47(07):195-202.

[6] 薛武,王鹏,钟灵毓.线阵垂轨环扫式光学遥感卫星影像几何纠正[J].光学精密工程,2021,29(12):2924-2934.

来源：航天星云

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转自：“测绘学术资讯”微信公众号

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