衛(wèi)星測繪唐新明

1、唐新明國家測繪地理信息局衛(wèi)星測繪應用中心txm@sasmac.cn2011年11月,國產(chǎn)測繪衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)和應用系統(tǒng),主要內(nèi)容,測繪衛(wèi)星規(guī)劃資源三號衛(wèi)星測繪關(guān)鍵技術(shù)衛(wèi)星測繪應用,遙感影像是測繪的基礎,,,,,,監(jiān)測地理國情,信息化測繪體系建設,,最基本的數(shù)據(jù)源—遙感影像,地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展,測繪公共服務,測繪任何一個方面的業(yè)務工作都離不開最基本的數(shù)據(jù)源，即遙感影像的支持,《國務院關(guān)于加強測繪工作的意見》,地面分辨率：Landsa

2、t系列（80米）- TM（30米）- SPOT1/2/4（10米）-SPOT5 HRS（10×5米）-SPOT5 HRG（2.5米）-IKONOS（1.0米）-QuickBird（0.6米）-WorldView（0.5米）－GeoEye-1（0.41米）高質(zhì)量：高信噪比，高幾何和輻射分辨率（大于8比特/像素）；全色立體（同軌/異軌）+多光譜；高地面覆蓋率形成了覆蓋全球的各種分辨率的衛(wèi)星影像序列:衛(wèi)星測圖比例尺由1:25萬，

3、10萬 – 1:50000，1:1萬甚至是1:5000開創(chuàng)了快速，持續(xù)，大范圍衛(wèi)星測圖的時代： 為快速獲取/更新國家和省級基礎地理信息技術(shù)體系帶來革命性的變化,高分辨率光學衛(wèi)星,雷達衛(wèi)星,世界雷達衛(wèi)星百花齊放加拿大、美國、歐空局、德國、意大利以及日本等國家都擁有自己的高質(zhì)量雷達衛(wèi)星,Radarsat,美國航天飛機SRTM系統(tǒng),美國航天飛機雷達地形測繪任務（SRTM）是迄今唯一成功的天基單航跡InSAR系統(tǒng)。 總體指標：C/

4、X雙頻SAR；空間分辨率：30m×30m；絕對精度：水平20m，垂直16m；相對精度：水平15m，垂直6m；測繪帶寬：C頻段225km，X頻段50km。運行軌道：類型：一般傾角圓軌道；高度：233km；傾角：57°；發(fā)射時間：2000年2月11日；運行時間：11天4小時8分。,,美國航天飛機SRTM系統(tǒng),有效載荷：主天線（繼承SIR-C/X-SAR）：長12m，寬3.5m（L+C+X）；副天線：

5、6m，可雙向調(diào)整；天線支撐臂：長度：60m；穩(wěn)定性：伸展：50mm；轉(zhuǎn)動：0.3°；撓曲：75cm；姿態(tài)控制：動力學參數(shù)在軌辨識，對控制器參數(shù)進行修訂；姿態(tài)控制精度：0.1°；姿態(tài)與軌道確定（AODA）：平臺定位精度：1m；平臺定姿精度：滾動與偏航：1″；俯仰：1.2″；雙天線相對姿態(tài)：5 ″；軌道保持控制：每天1次，每次1.5km。,姿態(tài)穩(wěn)定度：0.01°；,基線長度測量精度：2mm

6、；,干涉SAR衛(wèi)星,干涉SAR實現(xiàn)地形測繪必須具備以下條件：確保SAR圖像相干性：影響圖像相干性有以下因素基線或幾何關(guān)系多普勒中心偏移地面物體散射相關(guān)參數(shù)精確測量：影響高程測量有以下參數(shù)軌道高度H雷達斜距R基線B基線傾角?,雷達系統(tǒng)熱噪聲兩次觀測時間間隔配準處理誤差,激光雷達衛(wèi)星,星載激光雷達三足鼎立，美國、歐洲和日本研制投入較多，其中歐美開發(fā)研究時間較早美國2003年發(fā)射ICESAT衛(wèi)星，搭載的地學激光測高系統(tǒng)

7、GLAS在陸地上的主要用于測定全球的陸地地形，作為地形圖和數(shù)字高程模型的參考基準,ICESAT,ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite),ICESat 衛(wèi)星星載地學激光測高系統(tǒng)GLAS指標,,重力衛(wèi)星及其應用,重力衛(wèi)星2000年德國發(fā)射了高低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星CHAMP2002年由美德合作的低低衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星GRACE2009年歐洲空間局發(fā)射了載有重力梯度儀的GOCE重力衛(wèi)星,CH

8、AMP,GOCE,我國測繪衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃,,生態(tài)環(huán)境,城市測繪,國土資源,重大工程,制作各種影像產(chǎn)品,,,,,,,,防災減災,決策支持,,,,科研教育,,高分辨率立體測圖（資源三號）衛(wèi)星是我國第一顆民用測繪衛(wèi)星！國務院已經(jīng)于2008年3月批準立項2011年12月發(fā)射,資源三號衛(wèi)星,主要技術(shù)參數(shù)XX-3平臺（姿態(tài)穩(wěn)定度，兩臺雙頻GPS，3臺高精度星敏感器，高精度陀螺等）有效載荷采用“3＋1”方案正視相機分辨率2.5米前、后視相

9、機分辨率4米多光譜相機分辨率8米，4個譜段幅寬均為51公里軌道高度505公里壽命4＋1年2011年在太原發(fā)射1：5萬測圖精度（平面25米，高程5米）,衛(wèi)星任務,實現(xiàn)1:5萬衛(wèi)星立體測圖，形成資源三號衛(wèi)星的規(guī)?；I(yè)務化處理能力 建設衛(wèi)星測繪技術(shù)體系，為國家提供安全可靠和高精度的數(shù)據(jù)源，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供服務，促進產(chǎn)業(yè)化推廣和應用,資源三號的技術(shù)難點,高程精度：5米。 是技術(shù)難度極大的一顆衛(wèi)星,資源三號衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù),衛(wèi)星軌道

10、高精度模擬和事后定軌遙感影像壓縮和質(zhì)量評價 資源三號衛(wèi)星成像模擬資源三號衛(wèi)星幾何成像模型 星地一體化幾何檢校關(guān)鍵技術(shù)三線陣立體測圖資源三號衛(wèi)星影像管理技術(shù)快速影像服務技術(shù)三維動態(tài)應用,衛(wèi)星軌道高精度模擬,初步建立了空間軌道動力學仿真的數(shù)學模型；完成了太陽同步軌道設計與分析，實現(xiàn)了高精度軌道遞推/預報部分功能（考慮地球非球形攝動、大氣阻力攝動）；為資源三號衛(wèi)星業(yè)務運行管理、影像分析與地面檢校、成像模型研究、衛(wèi)星在軌標定

11、等提供了重要的技術(shù)基礎,衛(wèi)星軌道高精度模擬,衛(wèi)星軌道高精度模擬,,ZY-3衛(wèi)星定軌仿真試驗,不同定軌策略下軌道精度結(jié)果統(tǒng)計,精度事后定軌,,研究軌道質(zhì)量綜合評價方法,CHAMP、GRACE衛(wèi)星動力軌道與SLR比較的殘差RMS,精度事后定軌,（a）原始影像,“高山地”的原始影像經(jīng)過壓縮后原始影像和壓縮影像的對比以及局部放大效果：,（b）原始影像放大效果,不管是采用JPEG2000還是SPIHT壓縮算法，對于“高山地”在8:1壓縮比下的重建

12、影像和原始影像相比已經(jīng)發(fā)生了明顯的失真， 清晰程度下降 山脊線變得模糊或消失 出現(xiàn)分塊效應說明影像質(zhì)量已經(jīng)嚴重損壞,遙感影像壓縮和質(zhì)量評價系統(tǒng),壓縮質(zhì)量評價方法已經(jīng)得到科工委和行業(yè)認可多數(shù)遙感衛(wèi)星已采用測繪提出的指標,全色模擬影像,多光譜模擬影像,藍,綠,紅,近紅外,,立體影像模擬,,,,,西藏拉薩地區(qū)后視影像（GSD=3.47米）,,西藏拉薩地區(qū)前視影像（GSD=3.47米）,西藏拉薩地區(qū)正視影像（GSD=3.47米）,資

13、源三號嚴密成像幾何模型,基于JB6 有理函數(shù)模型幾何糾正,,x=3.5471,y=3.0340,中巴資源衛(wèi)星02B幾何校正實驗,選取2007年10月16-11月7日獲取的11景影像共66個控制點數(shù)據(jù)進行精度評定,,,,基于SPOT5嚴密成像模型幾何糾正,x=1.2830,y=0.6921,高精度事后定姿技術(shù) 內(nèi)方位元素測試和檢校 外方位元素精化 天地一體化的幾何檢校 幾何檢校場,幾何檢校和幾何檢校場,需標定參數(shù)及影響精度因素,內(nèi)

14、方位元素精度內(nèi)方位元素相機內(nèi)部部分 （標定精度）相機在本體安裝矩陣精度 （標定精度）外方位元素線元素雙頻GPS+SLR定軌精度（動態(tài)精度）GPS相位中心在本體坐標系中的三個平移量精度（標定精度）26基地提供的J2000軌道精度（動態(tài)精度）外方位元素角元素星敏陀螺聯(lián)合定姿精度（動態(tài)精度）星敏安裝矩陣（標定精度）陀螺聯(lián)合定姿精度（動態(tài)精度）陀螺安裝矩陣（標定精度）,,幾何檢校,導航星均勻選取方法原始SAO星表與導航星

15、選取后實驗結(jié)果,,,（1）原始導航星分布（SAO）,（2）選取后導航星分布,導航星選取前后恒星分布對比（SAO，VMT=7.0）,,高斯擬合方法對星圖進行提取,,原始星圖,單張星圖（五院提供）提取結(jié)果,幾何檢校,,兩種高精度的姿態(tài)確定算法,加入0.1pixel的像點坐標位置誤差給定姿態(tài)：alpha = 282.72 sigma = -79.9 kappa = 82.0,通過姿態(tài)精度比較可知，Quest方法精度最高,不同姿態(tài)

16、確定方法精度比較,幾何檢校,,高精度幾何檢校試驗,,,內(nèi)方位元素檢校,內(nèi)方位檢校列方向上的殘差 內(nèi)方位檢校行方向上的殘差,標定精度優(yōu)于0.3個像元,,外方位元素解算,高精度幾何檢校試驗,,,外方位元素檢校前利用系統(tǒng)參數(shù)對地目標定位的精度（米）,外方位元素檢校后利用系統(tǒng)參數(shù)對地目標定位的精度（米）,,圓形=主要檢校場，三角形=次要檢校場，菱形=廢棄檢校場SPOT的全球分布檢校場,-

17、---SPOT檢校,幾何檢校場,全國范圍分析,氣象數(shù)據(jù)：全國30年（1971-2000年）累年平均總云量分布圖,資源三號幾何檢校場選址分析,初步滿足地形和云量區(qū)域,資源三號幾何檢校場選址,,國內(nèi)內(nèi)外方位元素檢校場位址,,海量遙感影像和管理,衛(wèi)星影像快速糾正平臺,精糾正級影像產(chǎn)品正射級影像產(chǎn)品,遙感影像控制點數(shù)據(jù)庫,RawData 原始影像,DEM 數(shù)字高程模型,自動糾正平臺,,國產(chǎn)遙感衛(wèi)星無控制定位精度低,一景環(huán)境遙感衛(wèi)星影像橫跨5

18、00多幅五萬地形圖,遙感影像糾正需要大量的控制資料,傳統(tǒng)遙感影像糾正效率低下,影像快速糾正,自動正射影像服務平臺,地理信息應用和服務,多種衛(wèi)星影像的快速糾正服務資源衛(wèi)星1-2公里環(huán)境減災800米LANDSAT衛(wèi)星：200米SPOT衛(wèi)星：50米資源三號衛(wèi)星：120米,在線可視化查詢,影像控制點在線瀏覽,主要功能 數(shù)據(jù)采集特征點自動識別、屬性數(shù)據(jù)自動/半自動錄入數(shù)據(jù)管理在線可視化管理平臺，瀏覽、查詢、編輯、數(shù)據(jù)維護備份影

19、像服務準實時快速響應、多種服務模式處理精度 高精度自動匹配，根據(jù)不同用戶類型與級別，提供相應級別糾正精度,自動正射影像服務平臺,影像控制點自動匹配,影像控制點在線瀏覽,,,,,主要特點：新舊數(shù)據(jù)的匹配不同分辨率的匹配已在二調(diào)中實驗,自動正射影像服務平臺,遙感影像自動糾正系統(tǒng),水庫潰壩模擬,地形和水文模型的結(jié)合 三維地理信息和動態(tài)系統(tǒng)的組合 SPH并行計算 三維水體模擬：流速、流向 三維水面模擬 精確度90% 計算

20、村莊、道路等被淹沒的時間。。。,,,測繪衛(wèi)星，技術(shù)復雜，天地一體化程度高,數(shù)據(jù)量大，是減災環(huán)保衛(wèi)星應用系統(tǒng)5-7倍,開展立體測圖，處理過程復雜，處理技術(shù)要求高,精度要求高，高程精度優(yōu)于5米,應用系統(tǒng)滿足業(yè)務化運行要求,特點,資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)特點,數(shù)字正射影像產(chǎn)品,1、測繪遙感影像產(chǎn)品,2、數(shù)字地形產(chǎn)品,立體產(chǎn)品,精糾正產(chǎn)品,,,4D產(chǎn)品,精糾正立體影像產(chǎn)品,立體影像產(chǎn)品,數(shù)字線劃圖,數(shù)字高程模型,數(shù)字柵格圖,,,,,,衛(wèi)星測繪產(chǎn)

21、品（1）,正射糾正產(chǎn)品,數(shù)字表面模型,,核線影像產(chǎn)品,,3、專題產(chǎn)品,,基礎專題產(chǎn)品,行業(yè)專題產(chǎn)品,,,,,,,,衛(wèi)星測繪產(chǎn)品（2）,融合影像產(chǎn)品,坡度圖,三維可視化產(chǎn)品,正射影像立體配對片產(chǎn)品,坡向圖,城鎮(zhèn)變化圖,植被指數(shù)圖,地表覆蓋圖,水資源分布圖,交通要素圖,洪水淹沒模擬場景圖,城市規(guī)劃模擬場景圖,應用系統(tǒng)功能,4年總數(shù)據(jù)存儲量為5.3PBCCD探元的指向角標定到0.3像元，事后姿態(tài)處理相對精度優(yōu)于1″，1:5萬高程精度達

22、到5米研制8個分系統(tǒng)58個子系統(tǒng)，業(yè)務產(chǎn)品處理能力為120臺高性能計算集群以及相應服務器和工作站每天生產(chǎn)3類22種測繪產(chǎn)品，４年生產(chǎn)的產(chǎn)品總量滿足測繪業(yè)務需求的35％門戶網(wǎng)站支持最大日訪問量40000次/日；支持最高同時在線人數(shù)1000人業(yè)務中心建設面積7546平米，異地備份機房改造面積234 平米,應用系統(tǒng)總體指標,,資源三號業(yè)務流程,,,,系統(tǒng)每天接收數(shù)據(jù)量（總計）,信息量分析,系統(tǒng)每天生產(chǎn)數(shù)據(jù)量（總計）,,業(yè)務應用系統(tǒng)建設

23、-組成,資源三號衛(wèi)星業(yè)務系統(tǒng),業(yè)務運行管理分系統(tǒng),影像分析與地面檢校分系統(tǒng),影像處理與應用分系統(tǒng),立體測圖產(chǎn)品生產(chǎn)分系統(tǒng),數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng),數(shù)據(jù)分發(fā)服務分系統(tǒng),產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督與評價分系統(tǒng),國土資源應用分系統(tǒng),,應用系統(tǒng)架構(gòu),,,,應用系統(tǒng)內(nèi)部接口,常規(guī)模式下,,,,,應急模式下,,,,,應用系統(tǒng)外部接口,,,數(shù)據(jù)庫設計,,,,數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)的標準規(guī)范,,,,系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)規(guī)范,資源三號衛(wèi)星測繪術(shù)語 資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分

24、類編碼標準 資源三號衛(wèi)星測繪元數(shù)據(jù)標準 資源三號衛(wèi)星測繪數(shù)據(jù)字典,資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范 資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范 資源三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)范資源三號衛(wèi)星幾何檢校技術(shù)規(guī)范,,系統(tǒng)集成與應用軟件開發(fā)技術(shù)規(guī)范,資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)信息系統(tǒng)集成技術(shù)規(guī)范資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)軟件開發(fā)技術(shù)規(guī)范資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)信息系統(tǒng)接口技術(shù)規(guī)范,測繪遙感影像產(chǎn)品檢查驗收標準規(guī)范 數(shù)字地形產(chǎn)品檢查驗收標準規(guī)范 專題產(chǎn)品檢查

25、驗收標準規(guī)范,數(shù)據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量標準規(guī)范,,數(shù)據(jù)庫設計規(guī)范 數(shù)據(jù)庫安全保障技術(shù)規(guī)范 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)規(guī)范 數(shù)據(jù)產(chǎn)品歸檔技術(shù)規(guī)范數(shù)據(jù)庫備份與恢復技術(shù)規(guī)范資源三號衛(wèi)星應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與維護制度,,數(shù)據(jù)共享與交換標準規(guī)范,立體影像數(shù)據(jù)交換技術(shù)規(guī)范 立體影像數(shù)據(jù)共享標準規(guī)范 立體影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)絡分發(fā)規(guī)范,數(shù)據(jù)庫設計與管理規(guī)范,標準規(guī)范：6類23種,業(yè)務應用系統(tǒng)建設-支撐體系,高性能計算集群,,120臺計算節(jié)點服務器14臺I/O節(jié)點服務器

26、3臺管理節(jié)點服務器1臺infiniband交換機集群任務調(diào)度軟件集群并行計算運行和 維護支撐平臺軟件文件共享軟件,,結(jié) 論,資源三號衛(wèi)星的發(fā)射將把地理信息的獲取從二維推向三維，從平面發(fā)展到立體，中小比例尺的測圖正從航空攝影向航天攝影過渡。衛(wèi)星測繪比航空測繪增加了許多新的技術(shù)，需要和衛(wèi)星研制部門結(jié)合，大力發(fā)展衛(wèi)星攝影測量學，提高我國的測繪裝備研發(fā)和應用技術(shù)水平。地理信息的處理以遙感與攝影測量新技術(shù)為依托，正擺脫傳統(tǒng)作業(yè)模式