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自主创新 开启我国航天摄影测量新纪元——“资源三号卫星测绘关键技术”成果展示
2013-02-25
“资源三号卫星测绘关键技术”立足于航天摄影测量科学技术前沿，针对我国民用遥感卫星难以测图的问题，提出了资源三号卫星研制总要求，完成了高精度测绘卫星的总体论证和自主设计，突破了我国高分辨率光学遥感卫星一体化几何检校的技术难题，全面实现了资源三号测绘卫星内外方位元素的高精度在轨检校和验证，掌握了航天摄影测量从卫星设计到立体测图的一整套核心技术。
一、首次由应用部门提出了我国民用测绘卫星的研制总要求，完成了首颗民用测绘卫星的总体论证和自主设计，建立了光学测绘卫星辐射几何一体化的仿真平台，实现了测绘卫星总体设计的定量化。项目组全面分析了测绘对卫星的实际需求，论证了发展测绘卫星的必要性和可行性，阐述了测绘卫星的整体发展战略，提出了发展我国高分辨率光学测绘卫星、干涉雷达卫星、激光测高卫星和重力卫星等测图系列卫星，该规划已经被有关部门采纳。资源三号和高分七号等一批测绘卫星成功立项，民用测绘卫星从此实现了零的突破。项目组根据1︰5万立体测图的技术要求，比较分析了国产卫星平台和传感器的特点，开展了资源三号卫星的总体论证和设计，首次由应用部门牵头，和卫星研制部门一起完成了第一颗民用立体测图卫星——资源三号测绘卫星的《卫星研制总要求》，全面系统地论证了卫星所需的平台以及主要的传感器，提出了资源三号测绘卫星研制的总体技术指标。项目改变了过去由卫星研制部门提出研制总要求的做法，真正实现了卫星由研究试验型向应用服务型的转变。
项目建立了资源三号测绘卫星仿真平台，构建了星地闭环验证的卫星几何质量预估体系。平台全面支撑了资源三号测绘卫星研制总要求的技术论证，客观上也首次建立了从卫星论证和设计到研制和处理的仿真平台，实现了卫星总体设计的定量化。项目组针对我国卫星传感器的特点，提出了一套面向测绘等卫星行业应用的遥感影像压缩以及质量评价方法，研发了自主的JPEG2000、SPIHT、JPEG-LS等压缩算法，实现了星上数据高保真、可调压缩技术，自主设计了影像构像质量的综合性评价指标，对多种压缩比、采用多种数据、运用多种方法、对多种应用目标进行了上千幅压缩试验和评价，构建了我国遥感影像压缩质量评价体系，提出了我国资源和测绘光学卫星的压缩比不超过1︰4的指标，改变了国产高分辨率卫星长期采用压缩比8︰1的现状。项目的研究成果已经应用于资源三号测绘卫星以及多颗资源遥感卫星的研制，填补了国内空白，成果达到国际先进水平。
二、提出了满足我国测绘卫星需求的高精度几何检校方法，解决了国产光学卫星几何检校的技术难题，实现了资源三号测绘卫星的高分辨率光学卫星内外方位元素的高精度在轨检校和验证。项目组全面总结分析了国外卫星成熟的几何检校方法和原理，深入研究分析了我国遥感卫星地面几何检校的关键技术，从不同卫星传感器对几何检校场面积要求、气象条件以及地形条件等方面进行论证和验证，完成了资源三号测绘卫星地面几何检校场的建设方案，从地形、气象、自然标志点、地物波谱以及载荷幅宽等六个方面，利用多年的累年平均总云量分布图、SRTM-DEM数据，分析国产光学卫星数据获取的有效性等几个方面，在国内遴选出新疆库尔勒、吉林白城、内蒙呼和浩特、河北沧州等四个建设我国测绘卫星需求的国内高精度几何检校场的区域，并论证出在以上地区进行航飞制作出1︰2000的数字高程模型和数字正射影像并适当辅助人工靶标的方法，可以满足我国资源三号高精度几何检校的需求。在研究SPOT、IKONOS和ALOS在轨几何标定算法基础上，自主研制了针对国产高分辨率光学卫星的几何标定算法，利用高精度配准算法优选标定用的像点量测精度优于0.2像素的控制点，采用多几何检校场畸变约束条件下的基于探元指向角模型和线阵畸变模型的内外方位元素联合标定方法，利用仿真数据、SPOT5和ALOS三线阵数据验证了算法的有效性，并将该算法成果应用于国产遥感二号卫星的几何检校。在资源三号测绘卫星上天后，利用华北多个地区1︰2000的DEM和DOM以及安平地区的靶标数据，对资源三号影像进行在轨的多检校场几何标定，将卫星无控制点定位精度从1000m提升到20m以内，全面提高了我国卫星的定位精度；三线阵全色相机的内方位元素标定精度达到0.25像元以内，带控制点平面和高程精度分别达到1.8m和1.7m。研制的几何标定算法，解决了我国光学卫星几何检校的技术难题，在国内首次实现了高分辨率光学卫星内外方位元素的高精度在轨检校和验证，建立了光学遥感卫星检校技术体系。该研究成果可以用于其他国产星的几何标定，提升我国光学卫星尤其是高分辨率卫星的几何精度。
三、自主研发资源三号测绘卫星的严密成像几何模型和RPC模型，突破了航天摄影测量的一整套核心技术，结束了我国卫星精度长期低下的历史，测图精度超过法国SPOT、日本ALOS和印度P5等同类卫星。项目组与卫星研制部门密切沟通，充分吸收国外卫星构建严密几何模型的优点，自主研发了资源三号测绘卫星的严密成像几何模型和RPC模型，并成功应用于资源三号测绘卫星产品的处理。对比卫星研制部门提供星上的轨道数据和地面接收的双频GPS的原始观测值计算的精密定轨数据等两套轨道数据，以及实验室测量的四台相机的内方位元素和在轨标定的内方位元素参数，确定了采用精密轨道、标定后的内方位元素。结果表明，无控制点系统定位达到20m以内，带控精度达到1.8m（平面）和1.7m（高程），实现了高精度的卫星测绘产品。首次确认了国产测绘卫星严密几何模型的参数配置模式。为了方便资源三号测绘卫星的处理，在严密成像模型的基础上，采用朔源方法，建立了资源三号测绘卫星各级产品的RPC模型。针对资源三号测绘卫星的姿态变化、TDI CCD引起的积分时间不连续、多条CCD拼接等问题，采用虚拟成像技术，完成了资源三号测绘卫星传感器校正产品、系统几何纠正产品、核线产品等产品的RPC模型构建，精度均优于0.15%像素。资源三号测绘卫星的测图精度超过法国SPOT、日本ALOS、印度P5等同类卫星，结束了我国卫星精度长期低下的历史，使国产卫星的测图精度达到国际领先水平。
四、自主建立了满足测绘以及其它行业需求的资源三号测绘卫星产品体系，研制了几何辐射处理一体化的并行数据处理系统。项目组在研究国外卫星的基础上，根据国内现有基础地理信息数字产品相关标准与技术规范，建立了资源三号测绘卫星的产品体系。制定了资源三号应用系统测绘产品生产工艺流程与精度等级，拟定了测绘遥感影像产品和相关数字地形产品系列，建立了满足测绘以及其它行业的产品体系和生产技术规范，实现了影像的目视无缝和几何无缝拼接，简化多光谱数据和全色数据的融合操作，首次提出了附带严密几何模型和RPC模型的系统几何纠正产品、精纠正产品以及核线产品等不同等级不同精度的测绘产品，满足不同行业用户的需求。在构建资源三号测绘卫星产品体系基础上，在大容量、高吞吐量、高可靠集群的计算机业务支撑平台支持下，对每个处理功能针对性地并行优化，研制了全国产化的遥感行业测绘遥感影像产品以及立体测图产品的几何辐射处理一体化的并行数据处理系统。在传感器校正产品处理方面，将辐射处理算法和基于虚拟CCD的几何无缝处理结合在一起，针对计算机软件基础平台中盘阵的IO效率、每个刀片的核数、内存大小开发了辐射和几何算法的并行优化和计算资源存储资源负载均衡方法，传感器校正产品的效率为20秒／景（15个计算节点）。在数字地形产品生产方面，充分利用资源三号测绘卫星三线阵特点，直接采用线面约束条件下的基于RPC模型的物方面元的多视并行匹配算法，能在20分钟之内完成50 km×
五、拓展了航天摄影测量的理论和方法，全面推动了我国航天摄影测量的技术进步。
资源三号的成功发射和应用，不仅极大地推动了我国卫星测绘事业的进步，改变了我国长期依赖国外卫星测图的局面，而且拓展了航天摄影测量的理论和方法，全面推动了我国航天摄影测量的技术进步。从用国外卫星产品测图到用国产卫星测图，虽然仅是航天摄影测量向前端迈出了一小步，但在高精度卫星平台和传感器的设计、研制、测试、处理、验证的理论和方法方面，前进了一大步，实现了测绘卫星从平台和传感器研制到实验室测试以及应用处理等全流程的整体技术提升。
资源三号测绘卫星的各类产品已经广泛应用于测绘、国土、水利、地矿等行业，为全国1︰5万基础地理信息数据库更新工程提供了约400多万平方公里影像，为国家基础地理信息公共服务平台“天地图” 提供了约50万平方公里的影像，为海岛礁测绘927工程提供了约40万平方公里的影像，具有全面替代国外SPOT5、ALOS、P5等同类卫星的能力。
