星上遥感数据处理理论与方法

第1章绪论 1.1“智能地球观测卫星系统”提出的背景 1.1.1地球观测卫星发展的规律 从早期使用航空摄影开始，卫星遥感已经被公认为是查看、分析和表征有价值的工具，做出有关环境的决策(Schowengerdt，1997)。这是因为： (1)卫星遥感使用传感器/检测器获取有关远处而不是就地的物体或现象； (2)光谱范围通过卫星遥感拍摄的影像大于我们的眼睛感觉到的电磁波谱范围； (3)观看视角范围从区域到全球规模； (4)卫星图像可以形成持久记录(Schowengerdt，1997；Lillesand and Kiefer，2000)。 不同空间、光谱和时间分辨率的遥感数据可以满足不同用户的需求。例如，某些用户可能需要频繁、重复地覆盖相对较低的空间分辨率(例如气象学)；某些用户可能要求不经常重复覆盖的可能空间分辨率(例如地形图)；而有些用户既需要高空间分辨率又需要频繁覆盖，且快速的图像传递(例如军事监视)(Schowengerdt，1997)。随着信息技术的发展，用户的需求已经从传统的基于图像的数据到高级的基于图像的信息/知识，例如大米的产量估算，洪水覆盖面积等(Zhou，2001)。因此，地球观测卫星设计在未来面临着巨大的挑战。 早在2000年初，有学者将地球观测卫星系统的发展划分为4个阶段：**代地球观测卫星系统是从20世纪60年代初到1972年；第二代地球观测卫星系统是从1972年到1986年；第三代地球观测卫星系统是从1986年到1999年；第四代地球观测卫星系统是从1999年到2014年左右（Zhou，2002，2003;Zhou et al.，2002a)。人们自然会问：下一代地球观测卫星系统是什么？ **代地球卫星观测系统（1960～1972年）主要由CORONA、ARGON、LANYARD三大侦察卫星系统组成(Zhou，2002a，2002b)。该系统出现在冷战时期，主要目的在于军事侦察和区域绘图(Mcdonald，1995；周国清，2019)。卫星搭载的成像传感器的空间分辨率不等，有高达几米级到一百米左右，影像基本上为黑白影像。 第二代地球卫星观测系统开始从1972年7月23日美国陆地卫星Landsat-1的发射升空，并提供大量的影像给大众用户。Landsat-1搭载的传感器光谱分辨率为4个波段，空间分辨率提升为80m，相机幅宽为185km，重访周期18天，**次获取数字影像(digital imagery)影像为(Zhou et al.，2002)。从20世纪80年代开始，美国开始组建专门处理多光谱遥感数据的研究机构，其中包括有National Aeronautics and Space Administration(NASA)的喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory-JPL)，美国地质勘探局(US Geological Survey(USGS)，环境研究所(Environmental Research Institute of Michigan(ERIM)，Ann Arbor，Michigan)，普渡大学遥感应用实验室(Laboratory for Applications of Remote Sensing(LARS)at Purdue University)等研究中心。第二代地球卫星观测系统的另一个特点是：遥感数据开始广泛地应用于各类科学研究。在近十年的Landsat发展过程中，Landsat系列卫星搭载的传感器光谱波段数4个波段(MSS)发展到了7个波段(TM)，地面空间分辨率达到了30m。 第三代地球卫星观测系统是自1986年到1999年，这十多年中，地球卫星观测关键技术得到了快速的进展，遥感数据应用也不断发展。1986年2月22日法国发射了SPOT-1卫星，其搭载的传感器**次使用了线阵推扫成像技术(Zhou and Paul Kauffmann，2002b)，地面空间分辨率在全色波段达到了10m左右。另外，欧空局(European Space Agency)1991年7月17日发射的ERS-1卫星，搭载了合成孔径雷达(SAR)，地面空间分辨率为30m。微波波段传感器通过卫星平台成像，极大提高了卫星对地球的观测能力，尤其是提高了对环境、大气、冰川、海洋等的观测、研究和理解能力，促进了卫星遥感的应用价值。 第四代地球卫星观测系统是从1999～2014年前后。1995年，美国摄影测量与遥感学会(ASPRS)和由Landsat卫星管理小组(包括NASA，NOAA和USGS)，NIMA，USDA，EPA，NASA卫星数据应用部门在美国召开了“地球陆地卫星下一个十年”会议。来自卫星公司的700多位专家、遥感数据产品商、终端用户的专家参加了讨论，并就未来遥感影像的应用、潜在的问题、共同需要的解决方案进行了研讨(Stoney，1996；周国清，2017；Zhou et al.，2018；Zhou，2020)。在该会议上，得出的结论是：下一代高分辨率、多(超)光谱卫星系统将推向市场，并广泛应用于地球科学、环境科学、大气科学、社会科学等。后来全球发射1～15m地面分辨率的32颗卫星验证了这一结论。在卫星遥感发展这十几年过程中，遥感卫星制造商、遥感卫星数据用户感兴趣的特征是卫星的空间分辨率(spatial resolution)、时间分辨率(temporal resolution)、光谱分辨率(spectral resolution)和光谱覆盖范围、轨道高度、重访周期(revisit)、条幅宽度(width of swath)、立体成像能力、成像模式(传感器)、数据记录格式、拥有者和市场需求。在此，仅做简单介绍(详细的、全面的调查和分析能参考Zhou(2001)）： (1)地面空间分辨率：1～3m地面分辨率的全色图像，4m地面分辨率的多光谱影像和8m地面分辨率的高光谱影像。雷达卫星影像可达到3m以上的地面分辨率。 (2)地面覆盖宽度：光学卫星地面覆盖宽度4～40km，雷达卫星地面覆盖宽度20～500km。 (3)光谱分辨率和光谱覆盖范围：美国军用卫星能达到10nm光谱分辨率和200个波段的高光谱遥感图像。 (4)重访周期：低轨道卫星重访周期少于三天，有的卫星甚至可以通过左右翻转方法缩短重访周期。 (5)从数据获取到用户接收的时间间隔：卫星图像可以实时下传到世界各地的地面卫星接收站，美国军方利用安装在汽车上的卫星接收站、军舰上的卫星接收站实时接收卫星数据。 (6)立体成像能力：大部分卫星具有同轨(in-track)和跨轨(across-track)的立体成像能力，如IKONOS和Quickbird卫星，因此可以利用摄影测量原理进行三维地面制图。 (7)传感器位置和姿态：卫星的位置和姿态由星载定位传感器和姿态传感器自主完成。轨道的位置精确可以达到厘米级，传感器姿态精度可以达到0.003度(Bisnath et al.，2001；Moreau et al.，2000)。 (8)成像模式：光学卫星能实现“扫帚扫描(whisk-broom)”和“推扫(push-broom)”的成像模式。 (9)雷达卫星：Radarsat-2，LightSAR和EnviSat不同大小的分辨率和扫描带宽度的组合，而且它们具有全极化成像功能。对于Radarsat-2，全极化成像的地面采样距离(ground sampling distance，GSD)大约10m左右；LightSAR通过与Radarsat-2相同的轨道上成像模式，实现了双通道成像模型，形成3m的GSD。目前雷达卫星可以提供GSD在3～1000 m，地面覆盖20～500 km的带宽。 (10)拥有者：很多国家的政府或商业组织都发射了自己的高分辨率卫星，如阿尔及利亚、阿根廷、巴西、中国、加拿大、法国、德国、印度、以色列、日本、韩国(南部)、葡萄牙、泰国、乌克兰、俄罗斯、美国政府和美国卫星商业公司。 总之，这一代对地观测卫星系统的主要特点是：“三多”和“三高”。“三多”是：多平台、多传感器、多角度；“三高”是高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率(李德仁和沈欣，2005)。 1.1.2第五代地球观测卫星是什么？ 人们自然会问：下一代地球观测卫星系统是什么？如上分析所示，地球观测卫星技术大约每13～15年有一个明显的跳跃(图1-1)。基于这个跳跃周期，第五代地球观测卫星在2015年左右来临。这就提出了一个问题：“第五代地球观测卫星是什么？” 图1-1地球观测卫星系统发展时间节点(据Zhou et al.，2004；2002) Zhou等认为：“地球观测卫星经过半个世纪的发展，已经达到成熟期，下一代卫星将是智能对地观测卫星”(Zhou et al.，2002)。被期望的智能地球观测卫星系统将是一个基于动态集成地球观测传感器、数据处理器和通信系统于一体的、卫星上处理的、空间结构配置的智能系统。这个智能系统将能够为实时用户、移动用户、专业用户和普通用户开展全球同步观测、实时处理和分析遥感数据(Zhou，2001)。这是因为不同的用户，如测绘、自然资源、环境科学、气象、灾难监测等领域的需求已经从基本的卫星影像发展到卫星产品商提供实时、定点、动态更新影像产品，即基于影像的信息。例如，玉米产量估计，森林野火燃烧5天后的范围等。而且，遥感数据和信息修正将更加频繁，也就是说，在许多方面，遥感信息的应用类似于现在的天气预报一样(实时)更新(气象遥感卫星提供数据)。此外，普通用户很少关心遥感影像处理技术的复杂性，仅仅要求遥感影像供应商直接为用户提供增值产品影像(例如，洪水淹没区水深三维图等)和增值产品(如洪水淹没区经济损失分布图)，以满足用户的实时需求。这些要求，对第五代遥感卫星技术的发展提出了新的挑战。这些挑战包括(Zhou，2002a)： (1)达到较高的重访周期：尽管当前卫星的重访周期大约为1～3天，但是，目前单个卫星观测还不能满足大多数用户的实时数据采集需求(例如，抢险、防汛、灾难实时监控、军事战斗等)。未来的智能卫星系统需要将重访周期的时间定在几分钟，或十几分钟，以满足不同应急用户的实时需求。 (2)数据适用于普通用户：目前卫星下传的“原始”数据不能直接服务于普通用户。例如，农民没有受过专业培训，没有专业数据处理软件，不知道如何根据自己的需求对卫星遥感影像进行诸如面积测量、生成高程模型或者进行影像分类，但他们理解气象卫星图中风暴雨动态图，因此，他们希望未来智能地球观测卫星像这样给普通大众用户提供这类服务。 (3)用户直接下载影像：以前遥感数据分发给用户的过程是：①卫星地面接收站接收原始卫星数据；②卫星地面站处理“原始”数据，转换为计算机可识别的数据，并分成Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级影像产品；③将这个数据归档为用户订单数据，供用户订购。未来智能地球观测卫星“图像”将使用移动设备直接下载，如手机或笔记本电脑。 (4)简单的接收设备：卫星接收站通常必须建立固定的设施，如大型天线。未来智能卫星影像将通过移动通讯设备的内置小天线传输影像信息。 (5)操作简易的接收器：以前卫星收转站只进行遥感影像接收，而很少关注用户是如何使用这些影像，用在什么方面。同时，大多数非专业用户并不知道如何订购或使用这些影像。其结果是，许多遥感影像被封存而且可能永远不会被使用。未来智能地球观测卫星将像今天的电视一样，普遍大众用户将使用遥控器选择一个“频道”，以得到他们想要的影像信息。 (6)星上新一代的增值产品：现在星上卫星数据处理能力是非常低的。许多卫星数据产品是后处理的结果，例如，土地利用分类地图。由于普通用户通常没有软件操作能力，这种情况在很大程度上限制了遥感影