3 卫星平台遥感

大气辐射传输

从地面光谱测量扩展到星载对地观测后，电磁波必须穿过大气，因此大气也是成像的重要一环。

云层干扰

• 薄云：仍可观测到弱的地表信息，可研究薄云检测与去除、云下细节增强。
• 厚云：可见光和近红外通常无法穿透，云下信息实质上缺失。

被厚云遮挡的数据可用多时相光学数据补全，或利用能够穿透云雾的 SAR 数据：

• 时空融合：综合不同时刻的观测填补缺失区，但必须同时建模地表的真实动态变化，不能将地表假定为恒定不变。
• 跨模态处理：光学影像与 SAR 影像的成像机理不同，不能简单拼接。图像翻译可作为补全手段，但模型生成的结果不等于真实观测。

大气的组成与垂直结构

大气含有氮气、氧气等相对稳定的成分，也含有含量变化的臭氧、水汽、气溶胶和水滴等。其中少量的可变成分对部分波段有强烈影响：臭氧强烈吸收紫外辐射，水汽在多个红外波段中存在强吸收。

大气层从高到低的结构如下：

• 外大气层：主要为氢、氦等轻质组分，更加稀薄；
• 电离层：空气稀薄，温度较高，约 600~800℃；
• 平流层：密度随高度的上升而下降，臭氧含量较高，水汽很少；
• 对流层：高度每上升 1km，温度约下降 6℃；气压和密度随高度的上升而下降，水汽含量变化大。

大气对辐射的四类作用

太阳常数是距离太阳一个天文单位处，在垂直于太阳辐射的单位面积上，单位时间接收的太阳辐射能量，用于描述大气层顶的输入。

大气吸收

臭氧、二氧化碳、甲烷和水汽等将电磁辐射转化为其他形式的能量，使辐射强度减小，但不直接改变传播方向。

小于约 $200\mathrm{nm}$ 的辐射几乎都被氮、氧吸收。而臭氧对小于约 $0.3\mathrm{\mu m}$ 的紫外辐射有强吸收。因此对地遥感很少使用紫外波段。如要进行紫外天文观测，需将传感器部署在高空气球、太空望远镜等大气影响较小的平台上。

大气散射

散射同时改变能量和传播方向，是可见光和近红外影像辐射畸变与模糊的重要原因。根据粒子尺度 $d$ 与波长 $\lambda$ 的相对大小，散射通常分为三种：

• 瑞利散射：$d\ll \lambda$
  • 主要粒子：氮、氧等分子
  • 特性：$I\propto {\lambda }^{-4}$；蓝光比红光散射强，前向和后向较强、与入射方向垂直时较弱
  • 对应现象：晴朗天空呈蓝色
• 米氏散射：$d\approx \lambda$
  • 主要粒子：烟、尘埃、小水滴、气溶胶
  • 特性：近似满足 $I\propto {\lambda }^{-2}$；波长选择性弱于瑞利散射，前向散射明显
  • 对应现象：丁达尔效应、乳白色光路
• 均匀散射（非选择性散射）：$d\gg \lambda$
  • 主要粒子：大水滴、大尺度颗粒
  • 特性：对可见光各波长的散射近似相同
  • 对应现象：云层呈白色

太阳高度角与天空颜色的关系：正午传播路径短，蓝光散射显著；日出、日落时光程长，短波光在到达观测者前已被更强地散射，因而直达光偏红。在月球表面因缺乏大气散射，天空背景呈黑色。

对微波而言，波长可达厘米至米级，云雾颗粒相对波长很小，散射较弱；波长越长，通常穿透云雾的能力越强。这是 SAR 能够在多云条件下观测地表的基础。

大气反射与折射

• 反射：云层或较大尘埃将部分辐射反射回宇宙，使到达地面或传感器的能量减少。厚云本身会遮挡地物，云投下的阴影还会造成另一类低亮度区。
• 折射：由于大气分层的密度不同，传播路径偏离理想直线。它主要改变方向，会引入定位错位等几何误差。

影像后果与校正关系：吸收主要造成能量减弱；散射同时影响能量与方向；反射造成能量损失及云影；折射主要引入几何误差。传感器获取的原始零级产品需辐射校正、几何校正等处理，才能形成更高级、可直接应用的产品。

大气窗口与传感器波段设计

大气窗口是大气衰减较小、透过率较高，适合遥感探测的波段。传感器优先在窗口内设置通道，以提高到达传感器的有效信号。

• $0.30\sim 1.15\mathrm{\mu m}$：覆盖可见光和部分近红外，是光学高空间分辨率成像的主要窗口
• $1.3\sim 2.5\mathrm{\mu m}$：短波红外窗口，补充地物光谱识别信息
• $3.5\sim 5.0\mathrm{\mu m}$：中红外窗口
• $8\sim 14\mathrm{\mu m}$：热红外窗口，主要感知地表自身的热辐射
• $1\mathrm{mm}\sim 1m$：微波窗口，对云雾有较强穿透能力

普通高分辨率光学传感器往往在第一个窗口内设置蓝、绿、红和近红外等通道，在保持成像能量的同时追求高空间分辨率。高光谱传感器则尽可能覆盖 $0.3\sim 2.5\mathrm{\mu m}$ 范围内的多个窗口，以增强精细地物识别能力。

遥感平台

遥感平台是搭载遥感器的载体。平台的高度、速度、稳定性和可控性会直接影响覆盖范围、空间分辨率、重访能力和几何精度。

• 地面平台：距离近、受大气传输影响小、定量测量精度高，但覆盖范围有限；常用于地物光谱测量和实地调查
• 低空平台：以无人机等为代表，机动、灵活、分辨率高，但受空域管制、续航和通信条件约束
• 航空平台：飞机、气球等，覆盖与分辨率介于地面 / 低空与航天平台之间
• 航天平台：人造卫星、航天器等，覆盖广、轨道规律明确、可长期重复观测，但成本高且成像链路更复杂

SPOT 卫星超分辨率：两组 CCD 在地面采样方向上错开半个像素，利用亚像素偏移提供的额外信息，将两景约 $5m$ 数据融合为约 $2.5m$ 产品。这说明空间分辨率既取决于硬件光学系统，也可以利用多次采样的亚像素信息进一步改善。

卫星轨道及其影响

卫星轨道是卫星绕地球运行的轨迹，决定卫星在什么时刻能观测哪一区域，并制约地面分辨率、幅宽、重访周期、辐射 / 几何校正模型和卫星工作寿命。

轨道分类

分类角度	轨道类型	课堂要点
高度	低轨、中轨、高轨	课堂采用：低轨 $<1000\mathrm{km}$，中轨 $1000\text{–}20000\mathrm{km}$，高轨 $>20000\mathrm{km}$。轨道越低，单景成像分辨率潜力越高，但单星覆盖幅宽通常较小
运行方向	顺行、逆行	顺行轨道与地球自转方向一致，可利用地球自转速度节省发射能量
轨道倾角	赤道、极地轨道	赤道轨道倾角约为 $0^{\circ }$；极地轨道倾角约为 $90^{\circ }$，适合全球及两极观测
同步对象	地球同步、太阳同步	地球同步轨道周期等于地球自转周期；地球静止轨道还须满足赤道面内、近圆形和顺行等条件。太阳同步轨道利用轨道面进动，使卫星以近似相同的当地太阳时经过同一地区，便于多时相比较

轨道摄动与平台震颤：大气阻力、太阳辐射压及平台机械运动都可以扰动轨道或姿态。对推扫式成像而言，高频姿态抖动会在影像中形成波纹或周期性几何扭曲，需建模并进行补偿。

开普勒轨道六根数

卫星的理想二体运动可用六个开普勒根数描述：

参数	物理意义
长半轴 $a$	决定轨道尺度，并与轨道高度和周期相关
偏心率 $e$	决定轨道形状；$e=0$ 时为圆轨道。若长、短半轴分别为 $a,b$，则 $e=\sqrt{a^2-b^2}/a$
轨道倾角 $i$	轨道面与赤道面的夹角，决定轨道倾斜程度及地面覆盖纬度
升交点赤经 $\Omega$	从春分点方向到升交点方向的角距，决定轨道面在空间的方位
近地点幅角 $\omega$	轨道面内从升交点方向到近地点方向的角，决定椭圆在轨道面内的朝向
历元时刻的位置参数	可用过近地点时刻或历元平近点角等表示，给出卫星在轨道上的相位

其中 $a,e$ 决定轨道的尺度和形状；$i,\Omega ,\omega$ 决定轨道面与椭圆在空间中的取向；第六个参数给出卫星在轨道上的瞬时位置。六者合起来才能推算任意时刻的卫星位置。

课堂还提到地心直角坐标系、大地坐标系等表示方式：例如在地心惯性坐标系中，原点位于地心，$X$ 轴指向春分点，$Z$ 轴垂直于赤道面，$Y$ 轴完成正交坐标系。详细的坐标转换留待后续课程。

卫星姿态角及测定

姿态描述卫星本体相对轨道参考系的朝向，对摄影测量交会和遥感影像几何校正尤为重要。课堂采用以卫星质心为原点的轨道参考系：$X$ 轴沿轨道前进切线方向，$Y$ 轴垂直轨道面，$Z$ 轴补齐坐标系。按课堂的轴向约定，该系统为左手系。

• 绕 $X$ 轴旋转：滚动角（roll）；
• 绕 $Y$ 轴旋转：俯仰角（pitch）；
• 绕 $Z$ 轴旋转：偏航角（yaw）。

主要测定手段包括：

• 陀螺仪 / IMU：可高频输出相对姿态，但误差会随时间积累；
• GNSS：用于近地环境的卫星定位，但不能直接覆盖一般深空任务；
• 红外地平仪：利用地球与外太空的热辐射差异，通过扫描相位反演姿态；
• 星敏感器（恒星摄影机）：识别若干恒星与已知星表，获取绝对姿态基准。它可定期校正 IMU 的累积漂移，两者具有互补性。