论文部分内容阅读
摘 要： 光学立体遥感由于其独特的优势，在国内外测绘工程中具有非常光泛的应用，国家也在大力研究和发展其技术。本文介绍了国内外光学遥感立体测绘技术的发展现状，分析了它所需的相关技术，并对未来发展趋势做了简要介绍。
关键词： 光学遥感；立体测绘
【中图分类号】 V556 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）12-0135-01
引言
目前，遥感测绘卫星[1]包括光学立体测绘卫星、干涉雷达测绘卫星、重力测绘卫星。以光学传感器为主要成像工具的光学立体测绘卫星是当前各国的主流，它通过多个传感器组成阵列对地面目标进行立体几何图形的测绘，其在可视性、可实现性上具有不可比拟的优势，且近年来，发展非常迅猛，感光器件的分辨率大幅提高。因此，本文将对光学遥感测绘技术进行分析。
一、国内外发展现状
美国自1971年发射KH-9号侦察卫星以来，相继又发射了多个系列的测绘卫星，其中包括陆地卫星系统Landsat、轨道观测卫星OrbView、地球眼-1卫星GeoEye-1和世界观测卫星WorldView等多个系列的卫星，其最高分辨率可达1米以下。法国的SPOT系列卫星也尤为突出，已经历经了四代的发展，其中SPOT4发射于1998年发射，可实现10m全色分辨率，通过異轨方式进行立体测绘，最新的SPOT6卫星利用双线阵推扫/复原模式，可实现1.5m全色分辨率和6m多光谱分辨率。作为发展中国家的印度也丝毫没有在遥感测绘上落后，于2005年发射了双线阵推扫的同轨卫星CartoSat-1，并于2017年发射了CartoSat-2卫星，分辨率可达0.6米。
我国的卫星测绘技术发展较晚，但发达国家的差距正一步步地减小。1999年，我国发射了中巴地球资源一号卫星，填补了传输型遥感卫星的空白。从2006年至今，相继发射了多颗遥感卫星，2010年发射的天绘一号卫星搭载了自主研制的线面混合三线阵相继、多光谱相继和全色相机，其全色影像分辨率可达5m[2]。
二、光学遥感测绘相关技术分析
1.立体测绘。
目前广泛使用的三线阵测绘相机包含前视、后视、正视三组相互独立的光学传感器。卫星在推扫过程中，可以从三个不同的角度观测目标点影像，高分辨率的正视影像可用来绘制正面影像，前视和后视影像可结合交会角、轨道和时间等参数经后期处理计算得出观测目标的高度，从而绘制出目标的立体形状[3]。
为了得到高精度的立体图像，测绘相机传感器要具有较好的成像质量和稳定的内方位元素，可通过精确保持其温度，并采取隔热措施等方式实现。在处理影像时，影像匹配会直接关系到目标的定位精度，可通过最小二乘影像匹配算法，来达到亚像素级的精度[4]，另外，还要考虑到噪声等因素的影响，以满足测绘所需误差指标。
2.同步技术。
立体测绘需要精确的时间系统来计算相关高度参数，相差几毫秒可能就会造成几十米的定位误差，从而影响测量精度，因此，需要卫星使用精度较高的时间系统，从而保证成像时的时间同步。可以利用GPS接收机作为基准的时钟源，为测绘系统提供高精度的时钟脉冲信号，系统中的每个零部件都以此时钟信号为基准，实现时间同步。
3.位置测定。
由于卫星的轨道和姿态测量精度会影响遥感定位精度，一般精确定位需要架设地面控制点，但是在一些测量人员比较难到达或者不方便架设控制点的地方，就需要在无控制点条件下进行测量。为满足无控制点测量，三线阵测绘卫星需要达到以下几个条件：（1）需要三线阵相机拍摄一定角度下的而且彼此重叠的三组影像；（2）通过轨道测量设备得到三组影像的三个外方位位置元素；（3）通过卫星姿态设备得到三组影像的三个外方位角度元素。常用的轨道参数测量设备有GPS接收机，定位精度可达到10m，当使用双频GPS接收机的时候，定位精度甚至可提高到0.2m[5]。常用的卫星姿态测量设备包括红外姿态测量仪、星敏感器、陀螺仪等，实际应用中可以将多种方式结合应用，一般红外姿态测量仪先进行粗略测定姿态，然后星敏感器和陀螺仪再进行精确测定姿态。
4.地标提取模型。
要完成卫星的高精度定位，就要对卫星相机的几何技术参数比较准确的进行标定，其中包括相机的内方位元素参量、畸变程度以及视轴平行性程度等。卫星发射时，各类环境的变化都会导致在轨运行时相机几何参数的改变，从而影响定位精度，所以要对在轨几何标定如相机焦距、主点位置以及星敏感器与相机光轴夹角等进行误差修正。
提取地标三维几何数据，需要建立相应的传感器成像模型，分为严密和非严密两种模型，严密模型考虑物理成像过程，具有较高的准确性，但是需要较多数据，并且模型相对复杂，计算量相对较大。非严密模型不考虑物理成像过程，模型结构比较简单，无需传感器参数，图像处理快速，但准确相对较低。实际中可以经两种模型相结合，完成满足一定精度要求和速度要求的测量。
5.数据压缩。
卫星成像质量提高的同时，也带来了数据量超过信道传输容量的问题，因此需要影响压缩技术对摄影图像进行处理。遥感立体图像纹理丰富、相关性弱、冗余度低，相对于传统二维图像，压缩难度更高，因此不能用普通的图像压缩算法，需要更为有效的专门的压缩算法。可以通过压缩后的图像重建质量来评价压缩算法的优劣，评价项目包括构像方面和几何方面的质量评价，可通过主观对图像损伤程度的打分和利用计算模型进行综合评价。
三、未来发展趋势
未来，光学遥感立体测绘会向着高空间、高时间和高光谱分辨率方向发展，同时还会综合应用热红外遥感、合成孔径雷达、激光雷达等技术[6]。今年来，大数据和人工智能等技术的兴起也可能给遥感测绘带来一些发展机遇，可利用大数据和机器学习来自适应的改变卫星成像相关参数，从而达到更高的数据处理效率和传输质量，更好的服务大众。
总结
虽然我国光学遥感立体测绘技术已经有了一定的发展，但是与国际先进水平还存在一定的差距，卫星测绘涉及到多个领域和多项关键技术，相信通过我们的不断努力，在科研上攻坚技术难题，能够独立制造出国际一流水平的光学遥感立体测绘系统，同时，未来这方面还具有较大的发展空间和研究价值。
参考文献
[1] 孙刚. 测绘卫星的发展及技术现状[J]. 测绘科学与工程， 2007（1）：46-51.
[2] 朱红， 刘维佳， 张爱兵. 光学遥感立体测绘技术综述及发展趋势[J]. 现代雷达， 2014， 36（6）：6-12.
[3] 王任享. 三线阵CCD影像卫星摄影测量原理[M]. 测绘出版社， 2016.
[4] 张祖勋， 张剑清. 数字摄影测量学[M]. 武汉大学出版社， 2012.
[5] 胡莘， 曹喜滨. 三线阵立体测绘卫星的测绘精度分析[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2008， 40（5）：695-699.
[6] 张兵. 当代遥感科技发展的现状与未来展望[J]. 中国科学院院刊， 2017， 32（7）：774-784.
关键词： 光学遥感；立体测绘
【中图分类号】 V556 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）12-0135-01
引言
目前，遥感测绘卫星[1]包括光学立体测绘卫星、干涉雷达测绘卫星、重力测绘卫星。以光学传感器为主要成像工具的光学立体测绘卫星是当前各国的主流，它通过多个传感器组成阵列对地面目标进行立体几何图形的测绘，其在可视性、可实现性上具有不可比拟的优势，且近年来，发展非常迅猛，感光器件的分辨率大幅提高。因此，本文将对光学遥感测绘技术进行分析。
一、国内外发展现状
美国自1971年发射KH-9号侦察卫星以来，相继又发射了多个系列的测绘卫星，其中包括陆地卫星系统Landsat、轨道观测卫星OrbView、地球眼-1卫星GeoEye-1和世界观测卫星WorldView等多个系列的卫星，其最高分辨率可达1米以下。法国的SPOT系列卫星也尤为突出，已经历经了四代的发展，其中SPOT4发射于1998年发射，可实现10m全色分辨率，通过異轨方式进行立体测绘，最新的SPOT6卫星利用双线阵推扫/复原模式，可实现1.5m全色分辨率和6m多光谱分辨率。作为发展中国家的印度也丝毫没有在遥感测绘上落后，于2005年发射了双线阵推扫的同轨卫星CartoSat-1，并于2017年发射了CartoSat-2卫星，分辨率可达0.6米。
我国的卫星测绘技术发展较晚，但发达国家的差距正一步步地减小。1999年，我国发射了中巴地球资源一号卫星，填补了传输型遥感卫星的空白。从2006年至今，相继发射了多颗遥感卫星，2010年发射的天绘一号卫星搭载了自主研制的线面混合三线阵相继、多光谱相继和全色相机，其全色影像分辨率可达5m[2]。
二、光学遥感测绘相关技术分析
1.立体测绘。
目前广泛使用的三线阵测绘相机包含前视、后视、正视三组相互独立的光学传感器。卫星在推扫过程中，可以从三个不同的角度观测目标点影像，高分辨率的正视影像可用来绘制正面影像，前视和后视影像可结合交会角、轨道和时间等参数经后期处理计算得出观测目标的高度，从而绘制出目标的立体形状[3]。
为了得到高精度的立体图像，测绘相机传感器要具有较好的成像质量和稳定的内方位元素，可通过精确保持其温度，并采取隔热措施等方式实现。在处理影像时，影像匹配会直接关系到目标的定位精度，可通过最小二乘影像匹配算法，来达到亚像素级的精度[4]，另外，还要考虑到噪声等因素的影响，以满足测绘所需误差指标。
2.同步技术。
立体测绘需要精确的时间系统来计算相关高度参数，相差几毫秒可能就会造成几十米的定位误差，从而影响测量精度，因此，需要卫星使用精度较高的时间系统，从而保证成像时的时间同步。可以利用GPS接收机作为基准的时钟源，为测绘系统提供高精度的时钟脉冲信号，系统中的每个零部件都以此时钟信号为基准，实现时间同步。
3.位置测定。
由于卫星的轨道和姿态测量精度会影响遥感定位精度，一般精确定位需要架设地面控制点，但是在一些测量人员比较难到达或者不方便架设控制点的地方，就需要在无控制点条件下进行测量。为满足无控制点测量，三线阵测绘卫星需要达到以下几个条件：（1）需要三线阵相机拍摄一定角度下的而且彼此重叠的三组影像；（2）通过轨道测量设备得到三组影像的三个外方位位置元素；（3）通过卫星姿态设备得到三组影像的三个外方位角度元素。常用的轨道参数测量设备有GPS接收机，定位精度可达到10m，当使用双频GPS接收机的时候，定位精度甚至可提高到0.2m[5]。常用的卫星姿态测量设备包括红外姿态测量仪、星敏感器、陀螺仪等，实际应用中可以将多种方式结合应用，一般红外姿态测量仪先进行粗略测定姿态，然后星敏感器和陀螺仪再进行精确测定姿态。
4.地标提取模型。
要完成卫星的高精度定位，就要对卫星相机的几何技术参数比较准确的进行标定，其中包括相机的内方位元素参量、畸变程度以及视轴平行性程度等。卫星发射时，各类环境的变化都会导致在轨运行时相机几何参数的改变，从而影响定位精度，所以要对在轨几何标定如相机焦距、主点位置以及星敏感器与相机光轴夹角等进行误差修正。
提取地标三维几何数据，需要建立相应的传感器成像模型，分为严密和非严密两种模型，严密模型考虑物理成像过程，具有较高的准确性，但是需要较多数据，并且模型相对复杂，计算量相对较大。非严密模型不考虑物理成像过程，模型结构比较简单，无需传感器参数，图像处理快速，但准确相对较低。实际中可以经两种模型相结合，完成满足一定精度要求和速度要求的测量。
5.数据压缩。
卫星成像质量提高的同时，也带来了数据量超过信道传输容量的问题，因此需要影响压缩技术对摄影图像进行处理。遥感立体图像纹理丰富、相关性弱、冗余度低，相对于传统二维图像，压缩难度更高，因此不能用普通的图像压缩算法，需要更为有效的专门的压缩算法。可以通过压缩后的图像重建质量来评价压缩算法的优劣，评价项目包括构像方面和几何方面的质量评价，可通过主观对图像损伤程度的打分和利用计算模型进行综合评价。
三、未来发展趋势
未来，光学遥感立体测绘会向着高空间、高时间和高光谱分辨率方向发展，同时还会综合应用热红外遥感、合成孔径雷达、激光雷达等技术[6]。今年来，大数据和人工智能等技术的兴起也可能给遥感测绘带来一些发展机遇，可利用大数据和机器学习来自适应的改变卫星成像相关参数，从而达到更高的数据处理效率和传输质量，更好的服务大众。
总结
虽然我国光学遥感立体测绘技术已经有了一定的发展，但是与国际先进水平还存在一定的差距，卫星测绘涉及到多个领域和多项关键技术，相信通过我们的不断努力，在科研上攻坚技术难题，能够独立制造出国际一流水平的光学遥感立体测绘系统，同时，未来这方面还具有较大的发展空间和研究价值。
参考文献
[1] 孙刚. 测绘卫星的发展及技术现状[J]. 测绘科学与工程， 2007（1）：46-51.
[2] 朱红， 刘维佳， 张爱兵. 光学遥感立体测绘技术综述及发展趋势[J]. 现代雷达， 2014， 36（6）：6-12.
[3] 王任享. 三线阵CCD影像卫星摄影测量原理[M]. 测绘出版社， 2016.
[4] 张祖勋， 张剑清. 数字摄影测量学[M]. 武汉大学出版社， 2012.
[5] 胡莘， 曹喜滨. 三线阵立体测绘卫星的测绘精度分析[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2008， 40（5）：695-699.
[6] 张兵. 当代遥感科技发展的现状与未来展望[J]. 中国科学院院刊， 2017， 32（7）：774-784.