我國(guó)陸地定量遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展

曹海翊 高洪濤 趙晨光

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

在遙感技術(shù)與應(yīng)用的雙重驅(qū)動(dòng)下，衛(wèi)星遙感正從定性走向定量。根據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)應(yīng)用方式的不同，定量遙感主要涉及幾何定量與輻射定量?jī)蓚€(gè)方面。其中：幾何定量重點(diǎn)關(guān)注幾何分辨率與定位精度，利用衛(wèi)星圖像與星上測(cè)姿定軌數(shù)據(jù)，通過(guò)天地一體化成像幾何模型，精確測(cè)量地表地物幾何特征與位置信息，生成正射地圖、數(shù)字高程圖等高精度地理信息產(chǎn)品；輻射定量重點(diǎn)關(guān)注光譜范圍、光譜分辨率、輻射分辨率及輻射定標(biāo)精度等因素，利用各譜段圖像的輻射測(cè)量信息計(jì)算觀測(cè)要素的地物反射率或輻射率特性，并通過(guò)數(shù)學(xué)或物理模型反演各類地物或大氣的特性參數(shù)。

定量遙感涉及數(shù)據(jù)獲取、地面標(biāo)定、應(yīng)用處理等天地一體化多個(gè)過(guò)程[1]，衛(wèi)星作為圖像數(shù)據(jù)獲取的核心環(huán)節(jié)，其技術(shù)參數(shù)決定了圖像數(shù)據(jù)的特征和質(zhì)量，也直接影響最終定量處理精度。文獻(xiàn)[2]中討論了我國(guó)高分陸地衛(wèi)星定量遙感技術(shù)體系與應(yīng)用，內(nèi)容主要集中于數(shù)據(jù)處理、標(biāo)定與應(yīng)用，衛(wèi)星技術(shù)涉及較少；文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]中分別對(duì)我國(guó)氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星發(fā)展及定量應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。本文重點(diǎn)對(duì)我國(guó)陸地定量遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行回顧與展望。

1 我國(guó)陸地定量遙感衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步

從1999年發(fā)射第1顆傳輸型陸地衛(wèi)星資源一號(hào)以來(lái)，我國(guó)先后發(fā)射10多顆陸地衛(wèi)星(如表1[5-8]所示)，衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)展迅速，具備可見光、紅外、合成孔徑雷達(dá)(SAR)等多手段觀測(cè)能力，開發(fā)了大、中、小等多個(gè)陸地衛(wèi)星序列，建造了衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)地面處理系統(tǒng)，形成了較完整的陸地資源衛(wèi)星監(jiān)測(cè)體系，衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)在國(guó)土普查、作物估產(chǎn)、森林調(diào)查、地質(zhì)找礦、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

1.1 圖像空間分辨率提高到亞米級(jí)

圖像空間分辨率決定了衛(wèi)星圖像對(duì)地面目標(biāo)細(xì)節(jié)的表征能力，是評(píng)價(jià)衛(wèi)星性能和圖像信息的重要指標(biāo)，也關(guān)系著圖像幾何定量應(yīng)用水平。隨著高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)的建設(shè)和商業(yè)遙感的飛速發(fā)展，我國(guó)高分辨率陸地光學(xué)衛(wèi)星技術(shù)獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。2014年發(fā)射的高分二號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了全色0.8 m/多光譜3.2 m分辨率，標(biāo)志著我國(guó)進(jìn)入亞米級(jí)高分時(shí)代；2016年發(fā)射的高景一號(hào)衛(wèi)星(01/02星)，進(jìn)一步將分辨率提高到全色0.5 m/多光譜2 m，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2015年，我國(guó)發(fā)射了靜止軌道高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星高分四號(hào)，首次具備了靜止軌道條件下可見光譜段50 m分辨率圖像的獲取能力。此外，2016年發(fā)射了高分三號(hào)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了1 m分辨率多極化SAR成像能力。在高分辨率陸地光學(xué)衛(wèi)星研制過(guò)程中，我國(guó)突破了大口徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加工檢測(cè)與裝調(diào)、高穩(wěn)定光機(jī)結(jié)構(gòu)、低噪聲高穩(wěn)定相機(jī)焦平面等載荷研制技術(shù)，以及星上微振動(dòng)測(cè)量與抑制、高穩(wěn)定姿態(tài)控制等平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)遙感載荷、衛(wèi)星平臺(tái)與系統(tǒng)研制能力得到顯著提升。

1.2 圖像幾何定位精度大幅提高

圖像幾何定位精度是決定衛(wèi)星圖像幾何定量水平的核心指標(biāo)，涉及姿態(tài)確定、軌道確定、相機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、地面檢校與數(shù)據(jù)處理等天地一體化多個(gè)過(guò)程。我國(guó)初期發(fā)射的陸地衛(wèi)星受研制條件所限，內(nèi)部幾何畸變較大(2～3個(gè)像元)，姿態(tài)測(cè)量精度較差(幾十角秒量級(jí))，再加上地面處理方法有限，圖像定位精度多在數(shù)百米量級(jí)，圖像應(yīng)用需要人工選取較多控制點(diǎn)，給行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)較大困難[9]。

2012年，我國(guó)發(fā)射了首顆民用立體測(cè)繪衛(wèi)星資源三號(hào)(01星)。衛(wèi)星研制過(guò)程中攻克了天地一體化圖像定位精度指標(biāo)體系與模型構(gòu)建、角秒級(jí)衛(wèi)星姿態(tài)確定、高精度時(shí)間同步、高穩(wěn)定一體化構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、微米級(jí)相機(jī)內(nèi)方位元素標(biāo)定、衛(wèi)星圖像高精度地面處理等一系列關(guān)鍵技術(shù)，首次將我國(guó)衛(wèi)星光學(xué)圖像無(wú)控制點(diǎn)平面定位精度提高到10米量級(jí)，有控制點(diǎn)平面定位精度約3 m(小于1個(gè)像元)，達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)際同類衛(wèi)星水平[10-12]，解決了我國(guó)陸地光學(xué)衛(wèi)星幾何定位能力不足的瓶頸問(wèn)題，推動(dòng)了后續(xù)高分二號(hào)、高景一號(hào)等一批陸地光學(xué)衛(wèi)星圖像定位能力的提升，開啟了我國(guó)幾何定量遙感的新時(shí)代。

1.3 光學(xué)圖像輻射質(zhì)量提升明顯

光學(xué)圖像輻射質(zhì)量直接影響圖像的主觀判讀結(jié)果及各類地物參量的反演精度。早期發(fā)射的陸地光學(xué)衛(wèi)星常存在圖像清晰度低、層次感差等問(wèn)題[13]，隨著國(guó)內(nèi)相機(jī)設(shè)計(jì)水平、相機(jī)高精度溫度控制、平臺(tái)高穩(wěn)定控制等技術(shù)能力的提高，我國(guó)陸地光學(xué)衛(wèi)星圖像輻射質(zhì)量與在軌穩(wěn)定性提升明顯。法國(guó)阿斯特留姆(Astrium)公司、德國(guó)宇航中心(DLR)遙感研究所等多家國(guó)外公司和機(jī)構(gòu)對(duì)資源三號(hào)衛(wèi)星圖像進(jìn)行了分析，認(rèn)為圖像在色彩表現(xiàn)上有很高精度，層次分明，紋理清晰；資源三號(hào)衛(wèi)星圖像優(yōu)于斯波特-5(SPOT-5)、“先進(jìn)陸地觀測(cè)衛(wèi)星”(ALOS)等國(guó)外同類衛(wèi)星圖像。我國(guó)陸地衛(wèi)星光學(xué)圖像輻射質(zhì)量的大幅提升，有效促進(jìn)了衛(wèi)星遙感在各領(lǐng)域的深入應(yīng)用。我國(guó)部分陸地光學(xué)衛(wèi)星圖像如圖1所示。

圖1 我國(guó)陸地光學(xué)衛(wèi)星圖像示例Fig.1 Images of China land optical satellites

1.4 普遍具備多光譜成像能力

多光譜成像能夠提供不同譜段的地物反射信息，提高地表地物分類與識(shí)別能力。我國(guó)近年發(fā)射的陸地衛(wèi)星均具備全色/多光譜(4譜段)成像能力(如圖2所示)，譜段和光譜覆蓋范圍與國(guó)際同類衛(wèi)星相似，包括1個(gè)全色譜段和4個(gè)多光譜譜段，可滿足不同業(yè)務(wù)在地物特征提取、分類、目標(biāo)識(shí)別及主觀評(píng)價(jià)等方面的應(yīng)用需求。

“中巴地球資源衛(wèi)星”裝載了多譜段紅外相機(jī)，可獲取從近紅外、短波紅外到長(zhǎng)波紅外的寬譜圖像數(shù)據(jù)，其中：短波紅外主要探測(cè)目標(biāo)為地表及礦產(chǎn)資源；中波、長(zhǎng)波紅外可在夜間工作；中波紅外對(duì)火災(zāi)、秸稈焚燒火點(diǎn)等熱源敏感；長(zhǎng)波紅外對(duì)地面目標(biāo)熱特性敏感，可用于水體污染、夜間排污、城市熱環(huán)境監(jiān)測(cè)及云頂溫度探測(cè)等。

環(huán)境一號(hào)A星配置了高光譜成像儀，光譜范圍450～950 nm，光譜分辨率5 nm，譜段數(shù)115；2018年5月發(fā)射的高分五號(hào)衛(wèi)星，搭載的高光譜相機(jī)覆蓋可見光和短波紅外譜段，具有330個(gè)觀測(cè)譜段，光譜分辨率最高可達(dá)0.03 cm-1，顯著提高了我國(guó)陸地衛(wèi)星的光譜探測(cè)能力。高光譜圖像數(shù)據(jù)提供了豐富的地物光譜信息，可用于地物類型識(shí)別，確定物質(zhì)成分等，在植被生物量估計(jì)、礦產(chǎn)調(diào)查、精細(xì)農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

圖2 我國(guó)陸地光學(xué)衛(wèi)星譜段設(shè)置Fig.2 Spectrum configuration of China land optical satellites

1.5 圖像應(yīng)用日益廣泛

目前，我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像在國(guó)內(nèi)各行業(yè)應(yīng)用日益廣泛，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在基礎(chǔ)地理信息行業(yè)，我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)已成為行業(yè)應(yīng)用的主要數(shù)據(jù)源。例如：資源三號(hào)衛(wèi)星發(fā)射4年內(nèi)共獲取全球高精度圖像7000萬(wàn)平方千米，為各行業(yè)1800多家用戶提供了高精度測(cè)繪地理信息服務(wù)，直接經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)23億元人民幣[14]，有效扭轉(zhuǎn)了國(guó)土測(cè)繪等典型行業(yè)長(zhǎng)期依賴國(guó)外的被動(dòng)局面，極大提升了我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像的應(yīng)用水平。在礦產(chǎn)資源調(diào)查行業(yè)，我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像提供了重要成礦帶和重要盆地的綜合成像信息，利用資源一號(hào)衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)對(duì)西南天山地區(qū)鉛鋅礦、金礦和銅礦等找礦有利區(qū)進(jìn)行了定量分析，提取了鐵巖石和線性體的空間分布信息，為礦產(chǎn)開采提供了信息保障[15]。在環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)行業(yè)，利用衛(wèi)星圖像進(jìn)行了我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)區(qū)帶的區(qū)域環(huán)境調(diào)查，建成了地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)及預(yù)警與輔助決策支持系統(tǒng)，利用高分一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在青海、內(nèi)蒙古、北京等地區(qū)開展了自然保護(hù)區(qū)人類活動(dòng)干擾、城市固廢與開發(fā)區(qū)、礦山開發(fā)環(huán)境破壞等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范[16]。在應(yīng)急觀測(cè)行業(yè)，開展了重大地質(zhì)災(zāi)害破壞情況調(diào)查監(jiān)測(cè)、境外重大地質(zhì)事件應(yīng)急監(jiān)測(cè)與評(píng)估、產(chǎn)能過(guò)剩重點(diǎn)地區(qū)監(jiān)控等典型應(yīng)用，利用我國(guó)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)研究并實(shí)踐了“天-空-地-現(xiàn)場(chǎng)”一體化災(zāi)害立體監(jiān)測(cè)體系框架[17]，提升了災(zāi)害綜合評(píng)估的時(shí)效性和精度。

在實(shí)際應(yīng)用中，我國(guó)陸地衛(wèi)星光學(xué)圖像也暴露出譜段數(shù)量少、輻射定標(biāo)精度不高等問(wèn)題，影響了其在地物參量定量反演方面的應(yīng)用，在可反演參量類型、參量反演精度及數(shù)據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化等方面均與國(guó)外存在較大差距。目前，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星圖像輻射定量應(yīng)用研究較多依賴中等分辨率成像光譜儀(MODIS)、先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)等國(guó)外圖像數(shù)據(jù)，亟需提升我國(guó)陸地衛(wèi)星輻射定量技術(shù)與應(yīng)用能力。

2 我國(guó)陸地定量遙感衛(wèi)星技術(shù)展望

隨著我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)、空間基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)重大觀測(cè)計(jì)劃的落地實(shí)施，高分七號(hào)、“高分辨率多模綜合成像”、“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)”等衛(wèi)星將陸續(xù)入軌提供服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星遙感幾何與輻射定量技術(shù)水平。

2.1 圖像幾何定位精度持續(xù)提升

美國(guó)“世界觀測(cè)”(WorldView)系列衛(wèi)星代表了國(guó)際光學(xué)遙感幾何定量技術(shù)的最高水平，其無(wú)控制點(diǎn)條件下的圖像定位精度達(dá)到2～3 m，國(guó)內(nèi)在軌陸地衛(wèi)星與之相比尚存在差距。提高陸地衛(wèi)星的幾何定位精度，關(guān)鍵在于提高相機(jī)光軸指向測(cè)量精度、結(jié)構(gòu)在軌穩(wěn)定性、導(dǎo)航定位精度等環(huán)節(jié)。在指向測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)角秒級(jí)星敏感器、高精度陀螺將逐步實(shí)現(xiàn)在軌應(yīng)用，可為相機(jī)姿態(tài)指向提供高精度原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，樹脂基碳纖維復(fù)合材料、C/SiC等低膨脹率材料逐步用于光學(xué)相機(jī)和星敏感器的支撐結(jié)構(gòu)，為姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)與成像基準(zhǔn)相對(duì)指向的穩(wěn)定性提供了保障；此外，結(jié)構(gòu)熱變形數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)微變形地面試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展迅速，為結(jié)構(gòu)熱變形仿真評(píng)價(jià)與在軌補(bǔ)償提供了技術(shù)手段。在導(dǎo)航定軌方面，我國(guó)北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射，將提供全球高精度導(dǎo)航定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)衛(wèi)星軌道事后確定精度。上述技術(shù)的成熟與應(yīng)用，將進(jìn)一步提升我國(guó)陸地衛(wèi)星的幾何定位精度，縮短與國(guó)際領(lǐng)先水平的差距。

2.2 激光探測(cè)技術(shù)在軌應(yīng)用

激光探測(cè)是一種主動(dòng)遙感手段，從衛(wèi)星上向地面發(fā)射激光脈沖并接收大氣及地物反射的回波信號(hào)。其中，回波時(shí)刻和信號(hào)強(qiáng)度代表了反射物與衛(wèi)星的距離、反射物截面大小和反射率等特征信息，可反演反射物垂直向空間結(jié)構(gòu)，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)被動(dòng)光學(xué)成像手段在垂直向探測(cè)能力的不足(如圖3所示)。國(guó)際上激光探測(cè)技術(shù)在深空探測(cè)和對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域已有較多應(yīng)用，包括火星軌道高度計(jì)(MOLA)、水星激光高度計(jì)(MLA)、月球軌道激光高度計(jì)(LOLA)，以及地表與氣溶膠探測(cè)的地球科學(xué)激光高度計(jì)系統(tǒng)(GLAS)與偏振云和氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)等。我國(guó)在資源三號(hào)02星上首次搭載了激光雷達(dá)載荷，激光數(shù)據(jù)高程絕對(duì)測(cè)量精度達(dá)到1 m，可為測(cè)繪圖像提供高精度高程控制數(shù)據(jù)[18]。隨著我國(guó)激光器、接收器件等相關(guān)技術(shù)日臻成熟，激光雷達(dá)在探測(cè)頻率、信號(hào)接收、全波形數(shù)據(jù)分析等方面取得了較大進(jìn)展。后續(xù)高分七號(hào)、“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)”等衛(wèi)星均配置了激光雷達(dá)載荷，衛(wèi)星發(fā)射后將可以極大提升地表地物及大氣的垂直向位置與結(jié)構(gòu)反演能力，提高光學(xué)圖像高程精度，為地理測(cè)繪、林業(yè)調(diào)查、碳源碳匯等行業(yè)應(yīng)用提供豐富數(shù)據(jù)。

2.3 光譜成像技術(shù)快速發(fā)展

針對(duì)光譜數(shù)據(jù)對(duì)地物分類與識(shí)別的重要作用，后續(xù)部分陸地衛(wèi)星將配置8個(gè)多光譜譜段，在傳統(tǒng)4譜段基礎(chǔ)上增加海岸譜段(0.400～0.450 μm)，以及對(duì)植被和土壤類型敏感的黃譜段(0.590～0.625 μm)、紅邊譜段(0.705～0.745 μm)和近紅外譜段(0.860～1.040 μm)，如圖4所示。海岸譜段支持植物鑒定和分析，也支持基于葉綠素和滲水的深海探測(cè)研究，由于該譜段對(duì)大氣散射較為敏感，還可用于大氣糾正；黃色譜段是重要的植被觀測(cè)譜段，可用于探測(cè)植被的黃色特征指標(biāo)，進(jìn)行植被油氣蝕變制圖，也可用于海面懸浮泥沙、荒漠化的監(jiān)測(cè)；紅邊譜段可用于監(jiān)測(cè)植物健康狀況，紅邊指數(shù)在作物發(fā)育期內(nèi)基本呈線性關(guān)系，采用紅邊譜段反演植被參數(shù)的精度和靈敏度均高于常規(guī)多光譜譜段；近紅外譜段較少受大氣影響，支持植物分析與單位面積內(nèi)生物量研究。8譜段多光譜探測(cè)能力將在水體監(jiān)測(cè)、地表分類、作物參數(shù)計(jì)算、作物養(yǎng)分含量、作物病害或環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面提升定量反演精度。

在高光譜成像方面，具備高光譜觀測(cè)能力的衛(wèi)星將不斷增加，顯著提高高光譜觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。另外，光譜分辨能力將進(jìn)一步提升，特定譜段(如氧氣吸收譜線附近)可達(dá)0.3 nm，能獲取更加精細(xì)的地物光譜信息，提供光譜曲線、圖像立方體等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，推動(dòng)衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)在地質(zhì)及礦產(chǎn)資源信息解譯、巖性區(qū)分、地物精細(xì)識(shí)別、土壤信息提取、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面發(fā)揮重要作用。

2.4 多角度偏振成像技術(shù)日益成熟

地表二向反射特征(BRDF)綜合反映了地物的幾何結(jié)構(gòu)與輻射特征，較常規(guī)單向光學(xué)圖像提供了更為豐富的地表信息。多角度成像通過(guò)記錄大氣頂部多個(gè)角度入射光的強(qiáng)度與方向(如圖5所示)，獲取同一地區(qū)不同方向的輻射圖像，用來(lái)計(jì)算地表BRDF信息；偏振成像則同時(shí)獲取光的強(qiáng)度信息與偏振特性，實(shí)現(xiàn)地氣反射光解耦(大面積地表對(duì)太陽(yáng)光漫反射表現(xiàn)為不起偏特性，觀測(cè)到的線偏振光可認(rèn)為主要由大氣散射產(chǎn)生)。多角度偏振成像可用于定量反演森林聚集度指數(shù)、覆蓋度、森林類型等參數(shù)，預(yù)估區(qū)域森林植被生物量信息，提高地表地物分類與識(shí)別準(zhǔn)確度。此外，利用強(qiáng)度反射率和偏振反射率信息，可進(jìn)一步定量反演氣溶膠光學(xué)厚度、細(xì)粒子比等大氣參數(shù)[19]，對(duì)光學(xué)圖像進(jìn)行大氣校正，提升圖像質(zhì)量。我國(guó)“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)”衛(wèi)星、高分五號(hào)衛(wèi)星均配置了多角度偏振成像儀，能夠提供豐富的多角度偏振信息，提升圖像數(shù)據(jù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)保護(hù)、碳循環(huán)監(jiān)測(cè)等行業(yè)中的應(yīng)用，提高定量處理與應(yīng)用水平。

圖5 多角度偏振成像原理示意Fig.5 Schematic diagram of multi-angle polarization imaging

2.5 在軌輻射定標(biāo)方式多樣

輻射定標(biāo)用于建立光學(xué)圖像的灰度值與相應(yīng)地物反射率的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，是輻射定量處理中的關(guān)鍵和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其標(biāo)定精度直接影響輻射定量反演精度。隨著輻射定量應(yīng)用和要求的提高，后續(xù)陸地衛(wèi)星輻射定標(biāo)將朝著高精度、高頻次、高可靠、低成本、低復(fù)雜、新手段等方向發(fā)展。通過(guò)控制外部環(huán)境和內(nèi)部因素提高定標(biāo)精度，通過(guò)高頻次定標(biāo)降低遙感器響應(yīng)波動(dòng)對(duì)定標(biāo)精度的影響，實(shí)現(xiàn)全生命周期高可靠設(shè)計(jì)，降低定標(biāo)復(fù)雜度，控制定標(biāo)成本，拓展新型定標(biāo)手段。輻射定標(biāo)包括試驗(yàn)室輻射定標(biāo)、場(chǎng)地輻射定標(biāo)、偏航輻射定標(biāo)、漫反射板絕對(duì)輻射定標(biāo)和對(duì)月輻射定標(biāo)等方式。

(1)試驗(yàn)室輻射定標(biāo)主要用于獲取相機(jī)在地面的輻射響應(yīng)特性，一般采用積分球面源近距離方法進(jìn)行標(biāo)定，絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于7%，相對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于3%。

(2)場(chǎng)地輻射定標(biāo)用于修正由于大氣擾動(dòng)、發(fā)射段振動(dòng)和空間環(huán)境影響等導(dǎo)致的相機(jī)輻射響應(yīng)特性變化，一般采用輻射校正場(chǎng)結(jié)合反射率法進(jìn)行標(biāo)定，其絕對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于5%，相對(duì)輻射定標(biāo)精度優(yōu)于3%。

(3)偏航輻射定標(biāo)過(guò)程中，衛(wèi)星偏航90°飛行并成像，地面獲取圖像數(shù)據(jù)后通過(guò)兩點(diǎn)法或直方圖統(tǒng)計(jì)法獲取相機(jī)相對(duì)輻射定標(biāo)系數(shù)。偏航定標(biāo)是國(guó)外多顆衛(wèi)星，如艾科諾斯-2(Ikonos-2)、陸地衛(wèi)星-8(Landsat-8)在軌相對(duì)輻射定標(biāo)的主要方法，國(guó)內(nèi)在高分一號(hào)衛(wèi)星上也進(jìn)行了應(yīng)用[20]。偏航定標(biāo)降低了定標(biāo)場(chǎng)地選擇要求，增加了定標(biāo)窗口時(shí)機(jī)，依靠陸地衛(wèi)星自身敏捷特性即可實(shí)現(xiàn)，降低了工程復(fù)雜度[21-22]。

(4)漫反射板絕對(duì)輻射定標(biāo)通常選擇太陽(yáng)或定標(biāo)燈作為穩(wěn)定輻射定標(biāo)源，結(jié)合已知雙向反射分布函數(shù)的漫射板，產(chǎn)生光譜輻亮度已知的近朗伯面光源，實(shí)現(xiàn)遙感器全孔徑全光路星上定標(biāo)。該方式易實(shí)現(xiàn)高頻次、高精度、長(zhǎng)周期標(biāo)定，相關(guān)設(shè)計(jì)和裝配也容易實(shí)現(xiàn)。

(5)月球表面反射率的變化率約為10-8/年，光譜特性穩(wěn)定，光譜范圍覆蓋可見光、近紅外全部譜段，非常適合作為參考輻射基準(zhǔn)源，且月球定標(biāo)不受大氣影響，雜散光影響可降至最低，能滿足每天多次的定標(biāo)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感器輻射響應(yīng)的全周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。隨著月球輻亮度模型的不斷完善，對(duì)月輻射定標(biāo)的精度也不斷提高。目前，國(guó)外地球觀測(cè)-1(EO-1)、Ikonos-2、“昴宿星”(Pleiades)及我國(guó)的“風(fēng)云”系列衛(wèi)星，都進(jìn)行過(guò)對(duì)月定標(biāo)研究[23]。典型對(duì)月定標(biāo)過(guò)程如圖6所示。

圖6 對(duì)月定標(biāo)過(guò)程示意

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)陸地衛(wèi)星在幾何分辨率、圖像定位精度等幾何定量性能方面提升明顯，圖像幾何質(zhì)量達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)外同類衛(wèi)星水平，輻射質(zhì)量與國(guó)外衛(wèi)星的差距也在不斷縮小，我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)中應(yīng)用日益廣泛，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。后續(xù)隨著高分七號(hào)、“陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測(cè)”、“高分辨率多模綜合成像”等衛(wèi)星逐步投入應(yīng)用，將在探測(cè)手段、幾何精度、譜段范圍、光譜分辨率、輻射定標(biāo)等方面進(jìn)一步提高我國(guó)陸地定量遙感衛(wèi)星技術(shù)水平，推動(dòng)我國(guó)陸地衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、住建等行業(yè)的深度應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)定量遙感技術(shù)與應(yīng)用的跨越式發(fā)展。