航天遥感

第六章航天遥感
航天遥感是现代遥感技术的重要组成部分。

航天遥感是利用搭载在人造地球卫星、探测火箭、宇宙飞船和航天飞机等航天平台上的传感器对地表进行的遥感。

特点：航天遥感的视野比航空遥感开阔，观察的地面范围大，可以发现地表大面积内宏观的、整体的特征；航天遥感的效率比航空遥感高得多；航天遥感的费用要比航空遥感低廉；航天遥感可以对地球进行周期性的、重复的观察，这极有利于对地球表面的资源、环境、灾害等实行动态监测；航天遥感数据对地面细部的表现力逊于航空遥感数据，但随着新一代高分辨率传感器的研制成功，航天遥感数据的地面分辨率将有很大的提高。

§6．1 遥感卫星的姿态与轨道参数
遥感卫星也称地球观测卫星，是航天遥感平台的一种主要类型，目前我们所应用的航天遥感资料多数是遥感卫星搭载的传感器获取的。

一、遥感卫星的姿态
(一)三轴倾斜
三轴倾斜是指遥感卫星在飞行的过程中发生的滚动、俯仰与偏航现象(图6．1)。

滚动是一种横向摇摆，俯仰是一种纵向摇摆，偏航则是指遥感卫星在飞行过程中偏移运行轨道。

(二)振动
振动是指遥感卫星运行过程中除滚动、俯仰与偏航以外的非系统性的不稳定振动。

遥感卫星运行中的姿态变化对其所获取的数据有很大影响。

扫描成图所获取的数据随时间序列而变化，因此卫星的位置和倾斜的时间性变化干扰扫描图像质量，所以必须在平台上装载姿态测量传感器和记录仪，并在使用数据前做几何校正。

二、遥感卫星的轨道参数
(一)开普勒的六个参数
用于表示遥感卫星轨道特征的数值组叫轨道参数。

遥感卫星在太空中的运行，是一种受到地球以及月球和太阳引力的规律性运动，它所在的包含地球在内的平面叫轨道面。

轨道参数各式各样，但对于遥感卫星来说，独立的轨道参数有六个，即开普勒的六个参数(图6．2)。

即轨道长半轴(a)：卫星轨道远地点到椭圆轨道中心的距离轨道偏心率(e)：椭圆轨道焦距与长半轴之比，又称扁率，e=c/a；轨道倾角(i)：轨道面与赤道面的交角，即从升交点一侧的轨道量至赤道面；升交点赤经(Ω)：轨道上由南向北自春分点到升交点的弧长；近地点角距(ω)：轨道面内近地点与升交点之间的地心角；过近地点时刻(to)：以近地点为基准表示轨道面内卫星位置的量。

根据a和e可以确定轨道的
形状和大小，根据i和Ω可
确定轨道面的方向，根据ω
可确定轨道面中轨道的长
轴方向。

根据to ，可求出
任何一时刻卫星在轨道上
的位置。

以上参数由于比较
直观、易于理解，多用来表
示轨道状况；有时也用三轴
方向的位置及速度作为轨
道参数来代替上述六个参数。

(二)其他一些常用遥感卫星参数
1．卫星高度
卫星高度就是卫星距离地面的高程，根据开普勒第三定律：
2．运行周期
卫星运行周期是指卫星绕地一圈所需的时间，即从升交点开始运行到下一次过升交点时的时间间隔，它与卫星的平均高度呈正相关。

3．重复周期
卫星重复周期是指卫星从某地上空开始运行，经过若干时间的运行后，回到该地上空时所需的天数。

4．降交点时刻
降交点时刻是指卫星经过降交点时的地方太阳时的平均值。

5．扫描带宽度
扫描带宽度是当卫星沿一条轨道运行时其传感器所观测的地面带的横向(舷向)宽度。

三、遥感卫星的轨道类型
遥感卫星在太空中的运行轨道对遥感数据的特征有很大影响。

遥感卫星的轨道可分为多种类型，最常见的是地球同步轨道和太阳同步轨道。

地球同步轨道其运行周期等于地球的自转周期，如果从地面上各地方看过去，卫星在赤道上的一点是静止不动的，所以又称静止轨道卫星。

静止轨道卫星能够长期观测特定的地区，卫星高度高，能将大范围的区域同时收入视野，因此被广泛应用于气象和通讯领域中。

太阳同步轨道是指卫星的轨道面以与地球的公转方向相同方向而同时旋转的近圆形轨道。

卫星轨道倾角很大，绕过地球极地地区，因此又称极轨卫星。

在太阳同步轨道上，卫星于同一纬度的地点，每天在同一地方时同一方向上通过，即卫星轨道面永远与当时的“地心一日心连线”保持恒定角度。

因此，太阳光的入射角几乎是固定的，这对于利用太阳反射光的被动式传感器来说，具有很大的优点，使得卫星在不同时相对同一地区遥感时，太阳高度角大致相等。

二、轨道特征
陆地卫星在太空中的运行路线称为空中轨道(简称轨道)。

卫星正下方的地面点叫做它的星下点(又称天底点)。

星下点的集合称为星下点轨迹(又叫地面轨迹或地面轨道)。

在向阳面，卫星从北向南运行，此时卫星处于白天；在背阳面，卫星从南向北运行，此时卫星处于夜晚。

当卫星在白天从北向南运行时星下点轨迹与赤道的交点叫做降交点；当卫星在夜晚从南向北运行时星下点轨迹与赤道的交点叫做升交点。

卫星绕地球一圈的时间称旋转周期；每日绕地球的圈数称日绕圈数；卫星从某地上空开始运行直到又回到该地上空所经历的天数称回归周期或覆盖周期；卫星通过降交点时的地方太阳时的平均值称降交点时刻。

此时刻一般在上午9时～1O时之间或稍前稍后一些。

扫描带宽度指的是当卫星沿一条轨道运行时其传感器所感测的地面带的横向宽度。

陆地卫星一天中的星下点轨迹见图6.4。

从表6．2中可以看出，陆地卫星在地面上空700多公里或9OO多公里高处运行，这种轨道属于中等高度轨道。

若飞行太低，卫星受稠密大气摩擦，损耗增大，降低卫星工作寿命，且运行周期延长；若飞行过高，分辨率又难以达到要求。

所以，中等高度是最适宜的。

陆地卫星运行轨道偏心率不大，接近于圆形，轨道趋于圆形的主要目的是使在不同地区获取的图像比例尺基本一致。

此外，近圆形轨道使得卫星的运行速度也近于匀速，便于扫描仪用固定扫描频率对地面扫描成像，避免造成扫描行之间不衔接的现象。

陆地卫星轨道距两极上空较近，故称为“近极地轨道”。

该轨道与赤道基本垂直，以保证尽可能覆盖整个地球表面。

这种轨道保证了当卫星先后穿过同一纬度、不同经度的若
干个地面点上空时，各地面点的地方太阳时大致相同。

因此，星载传感器对同一纬度、不同经度的地区所成的图像是在大致相同的太阳高度角和太阳方位角的情况下获得的。

陆地卫星轨道重复周期为18天(1,2,3号)或16天(4,5,7号)。

时间分辨率的高低与回归周期呈负相关；回归周期越短，时间分辨率越高。

综上所述，陆地卫星的轨道特征可归纳为：中等高度、近圆形、近极地、太阳同步、可重复轨道。

三、Landsat系列卫星的传感器和数据参数
Landsat系列卫星搭载的传感器共三种：反束光导摄像机(RBV)、多光谱扫描仪(MSS)、专题制图仪(TM)。

Landsat-1、2、3上载有RBV和MSS，Landsat-4、5装载TM和MSS，Landsat-7上装有ETM+。

目前，对于Landsat系
列卫星来说，RBV数据已经不用，应用最多的数据是多光谱扫描仪(MSS)和专题制图仪(TM)。

(一)多光谱扫描仪
多光谱扫描仪(Multispectral Scanner，MSS)是陆地卫星上装载的一种多光谱段光学-机械扫描仪，由扫描反射镜、校正器、聚光系统、旋转快门、成像板、光学纤维、滤光器、探测器等组成。

当卫星在向阳面从北向南飞行时，MSS以星下点为中心自西向东在地面上扫描185km，此时为有效扫描，可得到地面185km×475m的一个窄条的信息；接着MSS进行自东向西的回扫，此时为无效扫描，不获取信息。

这样，卫星在向阳面自北向南飞行时，共获得以星下点轨迹为中轴、东西宽185km，南北长约20000km的一个地面长带的信息。

Landsat-1,2上各有一台MSS，其4个通道(光谱段)分别称为．MSS4、MSS5、MSS6、MSS7，光谱段颜色分别为绿(O.5～0.6μm)、红(O.6～O.7μm)、深红-近红外(O.7～O.8μm)和近红外(O.8～1.1μm)。

Landsat-3上装载的MSS在这4个波段的基础上又增加了一个热红外通道MSS8，波长范围10.4～12.6μm。

Landsat-4，5搭载的MSS为4个波谱段，即保留了MSS4，5，6，7通道，并将其改名为MSSl，2，3，4。

Landsat-7没有装载MSS。

MSS所有的光谱段中，只有MSS8通道的地面分辨率为240 m，其他4个通道的地面分辨率均为80m。

(二)专题制图仪
专题制图仪(Thematic Mapper，TM)是在MSS基础上改进发展而成，是第二代多光谱段光学一机械扫描仪。

TM采取双向扫描，正扫和回扫都有效，提高了扫描效率，缩短了停顿时间，提高了检测器的接收灵敏度。

在Landsat一4，5上各有一台TM，有7个通道，波段情况如下：
TMl 蓝通道，波长范围为0.45μm～O.52μm；
TM2 绿通道，波长范围为0.52μm～0.60μm；
TM3 红通道，波长范围为0.63μm～0.69μm；
TM4 近红外短波通道，波长范围为0.76μm～0.90μm；
TM5 近红外中波通道，波长范围为1．5 5 pm～1．7 5／am；
TM6 远红外(热红外)通道，波长范围为1O.40μm～12.50μgm；
TM7 近红外长波通道，波长范围为2.08μm～2.35μm。

TMl，2，3，4，5，7的地面分辨率均为3O×30m
TM6地面分辨率为120×120 m。

Landsat-7搭载增强型专题成像传感器ETM+(Enhanced Thematic
Mapper Plus)，增加了分辨率为15m的全色波段(PAN)；热红外波段的探测器
阵列从过去的4个增加到8个，对应地面的分辨率从120m提高到60m；ETM+数据绝对辐射精度为5%，波段间配准精度为0.3个像元。

在不使用地面控制点的情况下，地理定位精度为250m。

四、Landsat系列卫星的数据产品
Landsat系列卫星的数据产品多种多样，包括像片、胶片、数字盘和数字磁带四类。

(一)像片产品
用户可获取MSS、TM和ETM+的像片资料。

每幅像片所表示的地面区域大约为1 8 5 km X 1 8 5 km(Landsat-7为：1 8 5 km X 1 7 0 km)。

南北相接的两幅图像之间有一定的航向重叠，东西相邻的两幅图像之间有一定的旁向重叠。

(二)胶片产品
胶片按片基的不同，可分为透明胶片(有负片和正片两种)和像纸片(只有正片)两类。

按波段的不同，可分为各个单波段的黑白片和由几个波段合成的彩色合成片(有真、假彩色片之分)。

胶片尺寸有7 0 mm×7 0 mm(2．7 5英寸和240 mm X 240 mm(9．5 O英寸)两种。

TM 胶片有未校正片和已校正片两种。

中国卫星遥感地面接收站提供2 40 mm的彩色和黑白的胶片和像纸片，放大片的最大尺寸可达1．2 m。

(三)数字盘和数字磁带
数字盘是以1．4 4兆软盘为介质的Landsat单波段数据，遥感地面站可提供5 1 2×5 1 2子区和1 0 2 4×1 0 2 4子区两种产品。

数字磁带有HDDT、CCT、8mm磁带、CD-ROM等不同记录介质。

高密度数字磁带(HDDT)能快速记录大量遥感信息，每英寸记录1万位以上的二进制数据。

但HDDT、不能直接进入通用计算机，必须经过一个磁带转换机才能把它转换为计算机兼容磁带。

计算机兼容磁带(CCT)一般采用半英寸宽的标准磁带，可以直接进人通用计算机。

HDDT、和CCT必须经过数／模转换(D／A)后才能进入普通计算机进行各种数据处理，再现图像。

目前CD-ROM产品最为常见。

二、SPOT系列卫星的轨道特征
SPOT-1的主要轨道参数见表6．4。

SPOT-2，3，4，5的轨道特征和主要轨道参数与SPOT-1基本相同。

与Landsat系列卫星的轨道特征相同，SPOT系列卫星的轨道是中等高度、圆形、近极地、太阳同步、可重复轨道。

白天卫星自北向南(略偏西)航行，夜晚自南向北(略偏西)航行。

三、SPOT系列卫星的传感器
SPOT-1、2、3的主要成像传感器为高分辨率可见光扫描仪(High Resolution Visible range instrument，HRV)。

HRV的基本结构和光路图如图6．6和图6．7所示。

SPOT-2除了载有两台HRV外，还有一台固体测高仪(DORIS，即卫星集成的多普勒成像与无线电定位仪)。

SPOT-3除两台改进型HRV和一台DORIS外，还有一台极地臭氧和气溶胶测量仪(POAM-Ⅱ)。

SPOT-4对先前使用的传感器作出改进：在HRV中增加了一个1.5～1.7μm、地面分辨率为2Om的短波红外谱段；原10m分辨率的全色通道改为0.61～O68μm的红色通道。

同时，SPOT-4加载植被探测仪(VEGATATION)、微波辐射计等传感器。

(一)HRV 的结构
HRV 的收集系统由指向反射镜、平面反射镜和球面反射镜等组成；检测系统由若干块半透明反射镜、滤光片和4根平行排列的CCD 探测杆组成。

指向反射镜可围绕着与航向平行的轴线在一定范围角度内旋转，有91档位置可供其选择。

该反射镜的每一档位均对应着一根确定方向的瞄准轴。

瞄准轴指的是这台H RV 在某一时刻的瞬时视场角的中心线。

而瞬时视场角则是传感器在某一时刻所能感测的外来光(或其他电磁波)所来自的空间角度区域。

这样，HRV 的瞄准轴可在舷向平面(垂直于航向平面)内的91档方向中任选其一，相邻两档瞄准轴之间的夹角为O.6°,相距最远的两档瞄准轴间的夹角是54°,中档轴与左右两边最远轴的间隔都是27°。

瞄准轴所选择的档位根据观测目标地带与卫星所处的空中轨道之间的相对位置来确定。

瞄准轴一旦调整到所需方向后，瞄准轴就固定不动，既不旋转也不摆动；而Landsat 上的MSS 和TM 作为光学机械扫描仪，通过平面反射镜不停地沿舷向来回摆动直接扫描来收集地面舷向条带的信息。

H RV 不是光学一机械扫描仪，因此避免了光学一机械扫描仪固有的边缘几何畸变，节省了反射镜摆动的能耗，而且每个地面单元的光投射到检测器光敏元件上的曝光时间增加，大大提高了光敏度。

每台HRV 的检测系统内有4根平行的CCD 线列探测杆，每根杆前面有一块只允许特定谱段光通过的滤光片。

外来光经半透明反射镜分光和4块滤光片滤色后，形成4束不同颜色的光(绿、红、近红外以及绿-深红)，分别照射到相应的CCD 探测杆上，转化为表示地面信息的视频电流。

CCD 即电荷耦合器
件，是一种大量分离的微小半导体光敏元件(每个是约13～16μm 的正方形)。

每根CCD 探
测杆各含3000个CCD元件，而绿-深红光照射的CCD杆含6000个元件。

HRV有两种光谱记录模式，即多光谱段模式和全色模式。

在多光谱段模式中，有绿、红、近红外3个光谱段，各光谱段所对应的一根CCD线列探测杆都包含3000元CCD，每元CCD对应的瞬时视场角为2．4 X 10-5弧度(即1.375 X 10-3度)，相应的星下地面分辨单元(即地面分辨率)为20 m X 20 m。

在全色模式中，只有一个光谱段，包括从绿到深红的各种色光，CCD线列探测杆包含6000元CCD，每元CCD的瞬时视场角为1．2 X 10-5弧度，星下地面分辨单元为10m X 10 m。

每根CCD线列杆在舷向的总瞬时视场角为4.13°。

(二)HRV的观测模式
由两台HRV组成的HRV系统有两种观测模式，即垂直观测模式和倾斜观测模式，图6．8和图6．9展示了这两种观测模式。

在垂直观测模式中，由两台HRV的瞄准轴放在正中一档方向上，与铅垂线
约成2°的角；两台HRV的瞄准轴处于铅垂线左右两侧。

每台HRV的瞬时地面视场舷向宽60km，两台HRV的瞬时地面视场左右相接，中间在天底点及其附近重叠3 km，故两台HRV 的瞬时地面视场合成一舷向宽117km、航向仅为20m(或10m)宽的细长条。

随着卫星的前进，此细长条也不断沿航向前进，如同一把扫帚在地面上沿航向扫描，经过一段时间后，就在地面上扫过一个舷向宽117km、航向长数万千米的地面探测条带，这种扫描可以称为推帚式扫描(图6．8)。

在倾斜观测模式中，两台HRV的瞄准轴都调整到偏离正中档的位上，对地面作倾斜观测，瞬时视场也离开天底点。

当瞄准轴选择最边缘的档位时，每台
HRV的地面探测条带的舷向宽度为80km。

如果将每台HRV的瞄准轴在±27°角度内91个档位上逐一停留进行观测，可能观测到的地面舷向宽度将达950km左右。

这两种模式结合起来使用，使得对地面上一个特定地区的观测次数大大增加，只要在不同的轨道上将HRV瞄准轴调到不同的适当的档位，就可在两条或多条卫星轨道上从不同角度观测同一指定地区。

这样，一方面大大缩短了观测的间隔期，以便更迅速地掌握地面的动态变化；另一方面也可以对同一地区从不同方向摄取几幅图像，组成一个或多个立体像对进行立体观察。

Landsat的MSS和TM是不能离开天底点进行观测的，因此其重复观察的周期等于卫星回归周期，也得不到任一地区的立体像对。

以北纬45°为例，如果在某一天SPOT对A地区作垂直观察(垂直观测)，而在1，5，6，10，11，15，16，20，21，25天后分别在不同轨道上以不同倾角对A地
区作倾斜观察(即倾斜观测)，即在一个回归周期26天中，可对北纬45°上任何一个地区作11次观察，相邻两次观察的间隔仅为1天或4天。

不仅大大增加了在一个回归周期中对同一地区的观察次数，而且获得了许多个立体像对。

(三)HRV的波谱段
高分辨率可见光扫描仪(HRV)有三个多谱段通道：
XSl 0.5～0.59μm(绿)；
XS2 0.6 1～0.68μm(红)；
XS3 0.7 9～0.89μm(近红外)；
其地面分辨率是20m X 20m。

HRV的全色光谱段是：O.51～O.73μm(绿-深红)，
地面分辨率是10m X 10m。

全色谱段包括绿、黄、橙、红直至深红，但不包括青、蓝、紫光。

多谱段的
XSl，XS2，XS3相当于TM2，TM3，TM4。

HRV缺少MSS6(MSS3)，TMl，TM5，TM6，TM7相应的谱段。

HRV图像具有以下特点：
(1)垂直图像每幅为近于正方形的菱形，各边对应地面长度为60km；倾斜图像横向宽度
对应于地面舷向宽度60～80km。

(2)在正常情况下以垂直观测图像覆盖全球；在有某些特殊要求时，也可以调整瞄准轴而获得一些倾斜观测图像。

(3)相邻轨道垂直图像间的旁向重叠，在赤道上是4.3km左右，越向两极走，这种重叠越大；在垂直观测时，两台HRV的图像之间重叠3km，固定不变。

(4)SPOT处在不同轨道上时，可对同一地区从不同角度观测成像，得到立体像对，这有利于摄影测量、地学及水文等方面的研究。

(5)地面几何分辨率较高，多谱段为20m，全色为10m(均指在天底点附近)。

四、SPOT系列卫星的数据产品
SPOT图像数据处理质量标准分为四级五等，即1A，1B，2，3，4。

其中：1 A处理精度最低，4级处理精度最高。

此外，还有一种S级产品，是各时期均可以重叠处理的图像。

无论哪一级产品，都有胶片和CCT磁带两类产品，影像基本比例尺为1：40万。

(一)图像产品
图像产品分为胶片和像片，多谱段胶片有黑白和彩色两种。

多谱段像片也有黑白和彩色两种。

(二)CCT磁带
CCT采用陆地卫星地面站规定格式。

1A，1B，2级，S级的全色磁带(CCTS)和多谱段磁带(CCT)都有两种规格，即6250字节／英寸或1600字节／英寸。

在多光谱记录中，625O字节／英寸为谱段逐行交替记录，1 600字节／英寸有谱段顺行记录和谱段逐行交替记录两种格式。

SPOT的地面接收站较少，主要有两个：法国南部的图卢兹站和瑞典的基
律纳站。

此外，还有加拿大的艾伯特王子城站和温哥华附近的纳奈莫站、孟加
拉的达卡站、印度的海德拉巴站。

我国北京的遥感卫星地面站可兼容接收Landsat和SPOT 的数据。