我国卫星摄影测量发展及其进步

我国卫星摄影测量发展及其进步

齐岩军1 云杰2

内蒙古自治区测绘地理信息中心内蒙古自治区呼和浩特市010020

摘要：当今世界上不发达地区约有90%属于无图区，中国有30%的困难地区属于无图区。解决这些地区测图问题最有效的方法就是采用无地面控制条件下的摄影测量方法。美国SRTM、GeoEye以及日本ALOS均拥有此项技术，中国经过数十年的技术积累和工程实践，也已具备了无地面控制条件下的卫星摄影测量的能力。

关键词：卫星摄影测量;发展;进步

前言

我国的卫星摄影测量发展，从返回式测绘卫星到传输型测绘卫星，从最初的理论和技术跟学到最后的自主创新，使我国天绘一号卫星影像单航线平差无控定位精度能够达到框幅相机静态摄影影像理论水平，实现了动态摄影影像与静态摄影影像有相同摄影测量效果的期待，实现了王之卓先生的期待(动态摄影的成果改化为相应的静态摄影，就可以直接使用常规摄影测量中的一系列解析公式)，也再一次验证了靠物理硬件“过不去的坎”是可以用数学手段予以解决。

1国际传输型卫星无地面控制点条件下的摄影测量发展历程

要实现1∶5万比例尺地形图测制，平面误差为15m，高程为6m，在GPS作为精密轨道测量后，无地面控制点条件下测制1∶5万地形图最大难点是高程精度为6m要求。为实现这一目标，除传感器外，需要完善的系统技术条件有以下3个：(1)卫星姿态高稳定途径：要求卫星姿态稳定度达到10–6(°/s)；(2)高精度测姿途径：要求星敏感器测定姿态精度为1″(三轴)(1σ)；(3)光束法平差途径：加GPS及相当精度的星敏感器辅助光束法平差。围绕这3个条件，国际上研究和发展无地面控制点条件下的卫星摄影测量大致可分为3个阶段。2.1第一阶段(1980年—2000年)这一阶段的典型代表是美国提出的MAPSAT和OIS卫星系统，这两种卫星均采用常规卫星摄影测量方法。因此，对姿态稳定度和姿态测量精度要求极高，当时的卫星技术无法满足其要求，因而工程未立项，未能实现无地面控制条件下的卫星摄影测量；在增加辅助设备后，研究仍持续较长时间，直到2006年以后才有成功的结果，如ALOS加入移动传感器，也有卫星加入高精度陀螺等；始于1980年代初期的MOMS工程，德国摄影测量学者(Ebner等，1991)对三线阵CCD影像光束法平差做了开创性研究，发明了“定向片”法光束法平差。初期估计可以大大降低对卫星姿态变化率的要求(MOMS在美国航天飞机上作了实验)，摄影测量处理中，可以不要地面控制点。但在与俄罗斯的和平号空间站合作的MOMS-2P工程1996年实践得出不尽人意的结果，利用三线阵CCD影像及星载测姿数据，“定向片”法计算的航线模型有系统变形，要求数排地面控制点或50m精度的数字高程模型(DEM)参与才能获得5m精度DEM的工程目标，并明确反对提倡无地面控制点，结论是摄影测量必须要求地面控制点。之后MOMS工程并没有发展，国际上卫星影像无地面控制点光束法平差研究也没有取得进展。这期间只有干涉雷达测量(SRTM)利用GPS加星敏感器实现了无地面控制点目标定位，相对精度(中误差)为12m/6m(平面/高程),符合美国1∶5万制图要求，目前在世界上大量应用的SRTM成果均为其降低精度后提供的，这是当时报道的卫星数字摄影测量中无地面控制点时目标定位达到1∶5万比例尺地形图的唯一系统。2.2第二阶段(2000年—2006年)SRTM之后美国转向研究更高精度的无地面控制点摄影测量卫星，着重改善测姿系统性能。研发的多个型号高分辨率(1m或优于1m)卫星，无地面控制点定位多在12m/8m(平面/高程)，虽然卫星影像分辨率很高，但测姿精度无明显改善，以1∶5万比例尺要求衡量其定位精度，只有平面精度满足，高程精度均不满足，无地面控制点定位研究进展不大。2000年后，只有日本的ALOS卫星继续探讨无地面控制点定位的问题。此外，法国公开报道的SPOT-5卫星在无地面控制点条件下定位精度为50m，印度的P5卫星在无地面控制点条件下定位精度为100m，制图应用需要地面控制点。2.3第三阶段(2006年—2010年)测姿系统研制有了新的成果。利用星敏感器与激光陀螺联合应用处理，取得外方位角元素达到子秒级，GeoEye和WorldView卫星在无地面控制点条件下定位精度达到3m/2m；日本ALOS卫星在2006年发射，其姿态测量精度达到了0.7″，按工程目标在无地面控制点条件下目标定位平面为3—6m，高程为3—5m，但工程最终结果并不理想。

2无控摄影测量关键技术

无控定位技术本身是一个系统工程，以笔者研究的经验，将无控定位系统工程关键环节归纳为以下几点。

2.1偏流角控制

全球连续覆盖模式光学卫星摄影中遇到地球自转，必然要考虑作偏流角控制。可行的措施有：１）摄影中对影像作特殊的偏转，避开卫星进行偏流角控制（如ＡＬＯＳ卫星），但影像的立体重叠损失一半的覆盖。２）只采用前、后视相机摄影，卫星作偏转（如Ｍａｐｓａｔ），工程没有正式立项研制。同样只采用前、后视摄影作“交互模型”摄影（如ＳＰＯＴ－５），航线只有一半有摄影模型，一半是空白，要由后续航线摄影补定。３）卫星摄影中进行偏流角控制，研究偏流角控制对摄影测量影响的数学规律，在摄影测量平差中加以解决（如天绘一号）。

2.2在轨标定相机参数

在轨标定不仅需要合适的试验场，而且取决于标定方法。同时也要考虑一系列的策略：如对于三线阵ＣＣＤ相机，是否单个相机分别标定，还是联合标定；标定结果要用标定实验场的航线上未参加标定的控制点加以验证，是否存在系统误差；标定结果受偏流角控制数据影响如何解决等。总之，在轨标定工作要跟踪进行，适当时间段修正标定值，用于后续处理中。

2.3ＥＯ角元素误差

星敏感器测量设备存在高频误差（随机误差）和低频误差（系统误差），由星敏感器构成的测姿系统，若星敏的高频误差优于２″（１σ），低频误差至多在７″左右，而且经过长时间飞行也不会产生慢漂的误差，那样在完成星地相机在轨标定后，可得到良好的无地面控制点摄影测量成果。但实际在轨卫星飞行中发现，星敏感器的低频和高频误差远远大于实验室评估值。１）高频误差高频误差是影响高程精度的关键，目前技术措施有两个途径。一是改进测姿系统，如ＡＬＯＳ卫星在星敏感器基础上增加位移传感器；二是采用摄影测量平差方法来削弱对定位精度的影响，如ＭＯＭＳ－２Ｐ、天绘一号卫星等。２）低频误差星敏感器测姿系统的低频误差，可能与实际摄影时卫星和太阳关系中出现的各种因素有关，星敏感器制造方提供这方面信息与在轨实际结果差别较大，只能由卫星工程与应用方加以检测和提高。ＥＯ角元素低频误差是全球覆盖模式卫星无控摄影测量达到工程指标最有挑战性的因素，也有两个解决途径：一是精化测姿系统性能，技术难度很大，星敏的改进仅是其中一个环节，如美国２００８年之后，高分辨率局部覆盖卫星配设的测姿系统，但没有全球连续覆盖卫星的应用记录；二是在“光束法平差”中研发自动检测与补偿ＥＯ角元素低频误差技术。

2.4无控定位成果检测

无控定位成果检测，需要分别于离在轨标定区不远地区，以及远离在轨标定场地区进行。为了验证全球定位精度，应利用大量海外控制点进行检测，其结果才能涵盖ＥＯ角元素低频误差对定位精度的影响，如ＳＰＯＴ－５。

结束语

卫星摄影测量是一种高效的地理空间信息数据获取手段，相比传统航空摄影测量有着得天独厚的优势，可以实现人类无法达到的困难地区以及境外地区测绘，在全球的基础测绘中发挥着重要作用，对推动经济建设具有重要意义。卫星摄影测量从返回式发展到传输型，传输型卫星目前主要以光学和微波摄影测量为主，微波手段具有全天时、全天候等优势，在快速获取全球数字表面模型方面具有独特优势。

参考文献：

[1]王任享.在利用高差仪记录的情况下，应用“多次权中数”法平差摄影测量网[J].测绘学报，2011，7(3):192-209.

[2]王任享.三线阵CCD影像卫星摄影测量原理[M].2版.北京:测绘出版社，2016.