4 卫星遥感

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

卫星轨道及其影响

常用概念：

星下点：卫星质心与地心连线同地球表面的交点
星下点轨迹（地面轨迹）: 星下点在卫星运行过程中在地面的轨迹
轨道周期：卫星在轨道上绕地球一周所需的时间
覆盖周期（重访周期）：卫星从某点开始，经过一段时间飞行后，又回到该点用的时间
卫星速度
星下点速度
卫星平均高度

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：

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 $e = a^{2} - b^{2} / a$
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 $Ω$ ：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 $ω$ ：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； $i, Ω, ω$ 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。

（示意图修改自 Wikimedia: 軌道參數圖解，CC-BY-SA 4.0）

轨道分类

根据高度可分为低轨、中轨、高轨。轨道越低，单景成像分辨率潜力越高，但单星覆盖幅宽更小。
- 低轨 $< 1000 km$
- 中轨 $1000 \sim 20000 km$
- 高轨 $> 20000 km$
根据运行方向可分为顺行、逆行轨道
- 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。轨道倾角满足 $0^{\circ} < i < 9 0^{\circ}$ ，可覆盖最高南北纬度为 $i$
- 逆行轨道：与地球自转方向相反，满足 $9 0^{\circ} < i < 18 0^{\circ}$ ，可覆盖最高南北纬度为 $18 0^{\circ} - i$
根据轨道倾角可分为赤道、极地与倾斜轨道
- 赤道轨道 $i \approx 0^{\circ}$
- 极地轨道 $i \approx 9 0^{\circ}$ ，适合全球及两极观测
- 倾斜轨道
根据同步对象可分为地球同步、太阳同步与其他轨道。
- 地球同步轨道周期等于地球自转周期
  - 地球静止轨道位于赤道面内、近圆形和顺行
  - 地球倾斜轨道的轨道面与赤道面有夹角，在地面的投影轨迹呈 8 字形
- 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

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。

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。

典型遥感卫星

陆地卫星

轨道运行特点：

近极地轨道：卫星的轨道倾角接近 $9 0^{\circ}$ 。
太阳同步轨道：卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向角。有利于卫星上的太阳能电池得到稳定的太阳照度，有利于卫星在相近的光照条件下对地面进行观测。
可重复轨道：卫星经过一定的时间周期回到相同底点上方。有利于对地物的变化进行动态监测。

典型卫星系列：

Landsat 系列卫星
- 持续观测地球时间最长
- 覆盖地球范围最广
- 遥感图像应用最丰富
- 遥感图像免费下载
- 空间分辨率只有 $30 m$
SPOT 系列卫星
- 第一次在硬件平台上搭载了超分辨率技术。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 $5 m$ 数据融合为约 $2.5 m$ 产品。
其他陆地卫星系列

高分卫星

典型卫星：IKONOS、WorldView

高光谱卫星

一般地，多光谱卫星只能在某几个波段上成像（不超过 10 个）。而高光谱卫星指光谱分辨率很高，在 $400 nm \sim 2500 nm$ 波长范围内，光谱分辨率一般小于 $10 nm$ 的成像遥感器。

由于光谱分辨率高，每个波段成像对应进光量较小，因此高光谱卫星的地面分辨率通常不高，一般为 $30 \sim 1000 m$ 。

典型卫星：hyperion、Modis、高分五号

雷达卫星

雷达使用微波波段，波长可达厘米至米级，大于大气分子，因此不受大气散射影响，但受吸收影响。

能穿透云雾、雨雪，全天候工作
弥补可见光和红外遥感的不足
电磁波振幅信号、相位信号和极化
缺少纹理信息

典型卫星：RadarSat、TerraSAR、高分三号

卫星传感器指标

几何特性

焦距 $f$ ：决定拍摄的成像大小、视场角大小、景深大小和画面的透视强弱

总视场（field of view, FOV）：遥感成像过程中，扫描带在地面上所覆盖的实际宽度。

总视场角（也称总扫描角）：从遥感平台观测点出发，分别指向地面扫描带两侧外侧端点的两条视线所构成的夹角。总视场角不宜过大，否则图像边缘的畸变太大。

S = 2 H \cdot tan ω

其中 $S$ 为覆盖宽度， $H$ 为轨道高度， $ω$ 为传感器半视场角。

扫描倾角：视场角主光轴沿侧摆方向产生偏移的角度，主光轴和铅垂线方向的夹角。

瞬时视场角 $β$ （instantaneous field of view, IFOV）：遥感探测器在某一瞬间探测单元对应的视场范围，以毫弧度（ $mrad$ ）计量。IFOV 越小，最小可分辨单元越小，图像空间分辨率越高。

β = \frac{d}{f}

刈yì幅（swath）：卫星单一传感器扫过的条带宽度。

光学特性

波长范围：传感器能够探测的电磁波波长区间。据此可分为光学传感器、微波传感器、热红外传感器、雷达传感器等。不同的地物在不同波长范围内的反射特性不同，因此选择合适的波长范围对目标地物的识别至关重要。

中心波长：卫星在获取遥感影像时所使用的光谱波长范围的中心值。

动态范围：指传感器能够探测的辐射强度的最大与最小值的比值，反映了成像系统在单次曝光中能够捕捉到的亮度级别的宽度。

调制传递函数（modulation transfer function, MTF）：输入对比度与输出对比度之比，描述光学系统对输入图像的响应能力，反映系统在不同空间频率下保持对比度的能力。MTF 值介于 0 到 1 之间，1 表示输入对比度完全保留，0 表示完全丢失。

信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）：传感器输出的有用信号与背景噪声强度的比值。高信噪比意味着图像中的噪声相对较少，图像质量更高。

分辨率

传感器有四大分辨率：空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、时间分辨率。

空间分辨率 $a_{0}$ ：一定高度下遥感探测器的瞬时视场角 $β$ 所对应的地面范围大小。瞬时视场角在仪器设计时已经确定，因此空间分辨率的变化只与航高 $H$ 有关。

a_{0} = β H = \frac{d}{f} H

光谱分辨率：传感器观测所用的中心波长的位置、波长间隔及波段总数。

辐射分辨率：衡量遥感器区分不同目标光谱反射、发射能量最小变换的能力，也称为传感器的灵敏度。常用噪声等效反射率差 $NE Δ ρ$ 或噪声等效温差 $NE Δ T$ 来表示。从信息量角度，也可以用量化等级 $D$ 来反映，例如一般图像的量化等级为 0 至 255 的 256 阶。

时间分辨率：指在同一区域进行的相邻两次遥感观测的最小时间间隔。对轨道卫星，亦称覆盖周期。时间间隔大，时间分辨率低，反之时间分辨率高。

一般地，四种分辨率相互制约，难以同时提升。应根据不同遥感应用目的，采用不同的遥感分辨率组合。

光学卫星成像模式

框幅式成像：在某一摄影瞬间获得一张完整的面状影像，一张像片上所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面，共用一组外方位元素。
扫描式成像依靠探测元件和扫描镜对目标地物以瞬时现场为单位进行的逐点或逐行采样，以得到目标地物电磁辐射特性信息，形成一定谐段的图像。
- 光学机械扫描系统：沿扫描线逐点扫描成像，又称物面扫描系统。结构上通过扫描镜旋转实现。扫描宽幅大但是空间分辨率较低。
- 推扫式扫描系统：广角光学系统在整个视场内成像，记录的多光谱图像数据是沿着飞行方向的条幅。通过飞行器与探测器成正交方向的移动活动目标的二维信息。
- 高光谱扫描成像

4 卫星遥感 ​

遥感平台 ​

卫星轨道及其影响 ​

开普勒轨道六根数 ​

轨道分类 ​

卫星姿态角及测定 ​

典型遥感卫星 ​

陆地卫星 ​

高分卫星 ​

高光谱卫星 ​

雷达卫星 ​

卫星传感器指标 ​

几何特性 ​

光学特性 ​

分辨率 ​

光学卫星成像模式 ​