1、目 录第 8 章 卫星遥感及其影像 .18.1 卫星遥感技术系统简介 .18.1.1 遥感测试系统 .18.1.2 星载系统 .28.1.3 地面控制 处理系统 .38.2 Landsat 卫星及其影像 .58.2.1 Landsat 的运行特征 .68.2.2 Landsat 图像的空间信息 .88.2.3 Landsat 图像的光谱特性 .128.3 SPOT 卫星及其影像 .148.3.1 SPOT 的 轨道特征 .148.3.2 SPOT 的成像方式 .158.3.3 SPOT 的影像特征 .178.4 CBERS 卫星及其影像 .198.4.1 CBERS 的遥感系统 .198.4.
2、2 CBERS 的传感器 .208.4.3 CBERS卫星图像的特点 .208.5 气象卫星 .218.5.1 静止轨道气象卫星 .228.5.2 极地轨道气象卫星 .248.5.3 中国气象卫星 .268.6 新型遥感卫星简介 .288.6.1 高空间分辨率卫星及其影像 .288.6.2 高光谱分辨率卫星及其影像 .32附录 遥感卫星一览表 .401第 8 章 卫星遥感及其影像1957 年前苏联成功发射第一颗人造地球卫星，标志着人类进入了航天遥感时代。到目前为止，包括中国在内的十几个国家已经向宇宙空间发射了数千颗人造卫星，它们广泛应用于军事、通讯、教育、导航、天文和地球资源观测等领域，其中地
3、球资源观测卫星遥感体系由气象卫星、海洋卫星和陆地卫星等组成。8.1 卫星遥感技术系统简介卫星遥感技术系统大致包括遥感测试系统、星载系统和地面控制处理系统三个子系统。遥感测试系统是卫星遥感技术系统的基础，主要进行地物波谱和传感器工作波段的研究，新型传感器的研制试验，遥感数据辐射校正及综合光谱信息研究等；星载系统包括遥感卫星平台及传感器是遥感信息获取的重要组成部分；地面控制处理系统是整个卫星遥感技术系统的核心，负责监测卫星的工作状况，及时向卫星发送各种指令，指挥星体和传感器的工作，并负责数据的接收和处理。图 8-1 是卫星遥感技术系统示意图。本节主要以美国的 Landsat 遥感卫星为例，介绍卫星
4、遥感技术系统。图 8-1 卫星遥感技术系统8.1.1 遥感测试系统遥感测试系统主要为基础研究测试和应用研究工作，除星体、传感器、发射、测控、通讯等方面的基础研究外，还有四个方面的研究：1）进行卫星和航空遥感的模拟试验；22）试验遥感仪器设备的性能；3）地物波谱特性；4）遥感图像解译和应用。为完成上述研究任务，必须建立一定数量的具有一定代表性的遥感试验区，以便进行遥感模拟试验，检验各种仪器、设备的性能，通过地物波谱特性的研究为解译、识别和应用提供依据，并为图像的处理提供参量。试验区有大小类型，满足某方面需要的基本试验区，一般面积较小，几十 km2 左右；满足多学科、多专业和多要素试验的综合试验区
5、，面积较大，1 万 km2 到数万 km2。美国洛杉矶试验区为一个典型的遥感综合试验区，面积达6 万 km2，由三个分区组成；海拔高度 14004300m，地貌类型齐全，包括山脉、丘陵、谷地、平原等；具备从半干旱气候到高山型气候的各类气候条件；植被覆盖面积占三分之一，类型多样，具有从平原植被到高山垂直分布植被带的各种类型；土壤类型比较全面；地质条件复杂、齐全，基本上包含了个地质年代的岩层和各类地质构造特征。美国在本土和巴西、墨西哥也设立了类似的试验区。Landsat 卫星的传感器 MSS 四个波段就是在试验区进行大量深入的研究和观测，掌握了不同气候环境条件下各种地物的波谱特性，并进行了许多模拟
6、试验，才最终选择和确定的。除了试验区的基础研究外，还可以建立观测点、观测站或遥测数据收集站，可自动观测收集温度、湿度、雨量、风速等环境数据，并发送给卫星，为遥感图像的分析处理和校正提供参考和依据。我国遥感中心研究发展部于 1985 年在唐山建立了综合试验基地，主要任务是高空机载遥感实用系统的各项实验研究，我国资源卫星研制、发射和运行各阶段各项实验研究，地物波谱特性的各项实验研究，及在此基础上开展传感器最佳工作波段选择，卫星传感器地面辐射校准方法，模拟数据生成和处理评价技术，遥感应用示范研究。我国除唐山基地外，还有长春静月潭、山东禹城、江苏宁芜、广东珠海及新疆阜康等试验区。8.1.2 星载系统星
7、载系统是卫星遥感的核心部件，按照控制系统的指令进行工作，主要接收来自地面各种地物的电磁辐射信息，同时收集各地面数据收集站发送的信息，然后将这两种信息再发回地面数据接收站。星载系统主要包括平台服务系统和有效载荷两个分系统。图8-2 是 Landsat 的组成结构示意图。1 平台服务分系统主要由各种服务性仪器组成，以保障星体能在空间轨道上正常运行和准确工作。它们的主要服务任务是：控制星体姿态 不同类型的星体采取不同方式控制自身的空间姿态，由测量、控制和执行等三类设备组成。如 Landsat 是通过服务舱内的红外地平扫描仪、反作用飞轮和喷气咀等实现的，能使星体三轴定向的精 图 8-2 地球资源卫星
8、Landsat13度在 0.7以内，以保证卫星摄影的制图精度。与地面通讯联系和星上数据管理 主要是接收地面指令，安排播发遥感数据，以及保证星体内工作流程的正常进行。调整轨道 星体在长期轨道生活中，受到大气散逸分子、地球形状、以及各种天体的影响，轨道会发生摄动和偏差。轨道调整系统可以通过卫星上小型火箭发动机来修正这种误差，使星体保持原有的轨道，以保证长期进行空间遥感和重复摄影的定位精度。星体内各种仪器工作状态的监测 各种监测结果通过遥测遥控系统报给地面站，有助于地面控制系统掌握遥感数据的可靠性。电源供应 星体上的电能全部由太阳能电池和蓄电池供应。如 Landsat 的太阳能电池就是由 1 万多个
9、小太阳能电池集合而成，分别装在两块蝶翅形的太阳帆板上，其电能可供每圈摄影 20 分钟，当电能多余时，便贮在镍镉蓄电池中。2 有效载荷分系统有效载荷分系统包括探测器、传感器、摄影仪器和其他专用设备如数据传输、空间环境监测和星上数据收集等星上遥感装置，是星体的主要组成部分。传感器是获取遥感数据的关键设备，因设计和获取数据的特点不同，传感器的种类也不同，目前遥感中所使用的传感器大体上可分为摄影类型、扫描成像类型、雷达成像类型和非图像类型的传感器。例如，以地球资源遥感与专题制图为目的的 Landsat 仪器舱中，通常以多光谱扫描仪（MSS）或专题制图仪（TM）为主要传感器；在以军事侦察为目的的军事卫星
10、中，以高分辨率的对地摄影机与对空摄影机为主要仪器。数据经编码、调制、变频和功放，由天线发射出射频信号，在卫星经过地面站上空时，被地面站接收。8.1.3 地面控制处理系统地面控制 处理系统是遥感技术系统的核心。星体从发射时起，直到在空间连续运转，地面一直需要有庞大的系统来指挥、控制、保障和配合它的工作。地面系统通常由站网、空间控制中心、遥感数据处理与管理中心组成。1 站网卫星系统一般配有跟踪站和接收站两种站网。(1)跟踪站跟踪站的主要任务是跟踪星体，不断对星体进行观测，将测得的卫星轨道数据及时提供给控制中心，以计算星体空间轨道及其变化，控制卫星的运行。由于卫星定轨精度直接与跟踪站的数量及分布有关
11、，所以，通常在建立少数固定型永久跟踪站之后，还要根据具体卫星发射任务均匀布设一些流动型跟踪站，以提高卫星的测轨和定轨精度。因此跟踪站分固定型和流动型两种。为精确测定卫星轨道，目前美国已在 Landsat 上配置了导航卫星全球定位系统 GPS 用户终端，可以提供精度在10m 以内的三维地心坐标。(2)接收站接收站执行两项主要任务：指挥和控制星体工作。包括传送来自空间控制中心的指4令（如令星体内各种仪器设备和遥感探测器启闭） 、跟踪观测星体轨道参数以及接收有关星体工作状态的遥测数据等；接收星体传送下来的遥感图像信息及其有关数据（如卫星姿态参数） 。接收站将接收的全部数据分类记录在磁带上，并传输到控
12、制中心。为了利用有限的地面接收站，保证卫星数据的实时发送，避免星上磁带机出现故障时信息损失，从美国 Landsat4 号（ 1982 年 7 月 16 日）起，开始启用两颗跟踪和数据中继卫星 TDRS（Tracking and Data Relay Satellite） 。这两颗 TDRS 均在赤道上空 36000km 高度，为地球同步卫星（相对地球静止不动） 。一颗位于西经 41，一颗位于西经 171，与Landsat 可进行通讯联系。Landsat 在美国本土以外的地域可通过 TDRS 中的一颗定时将图像数据传送给设在新墨西哥州的瓦特珊德即白沙（White Sands）接收站，然后又将数据
13、通过国内通讯卫星 DOMSAT（Domestec Communications Satellite）转送到戈达德中心（GSFC）进行处理，由此实现对全球数据的实时传输。图 8-3 Landsat4 图像信息的传递2 空间控制中心空间控制中心亦叫空间指挥中心，简称控制中心，是卫星遥感系统的大脑，负责监测和指挥卫星的运行，制定卫星及传感器每一天的日程，控制和协调全系统的正常工作，这些都是通过电子计算机制定和发送指令来完成。计算机可实时进行图像显示，监视卫星的工作，根据跟踪站测得的卫星轨道数据进行计算，产生指令，修正和控制轨道；卫星上各部件工作状况及工作环境的有关数据如电压、温度等，由卫星发回后，传
14、送到控制中心，用以指挥卫星更好的运行；控制中心可根据用户的要求编制卫星和传感器的工作日程，发出指令，使卫星按照用户的要求进行工作；还可根据气候条件干预卫星工作系统。美国 Landsat 的控制中心设在美国东海岸马里兰州，即戈达德空间中心，控制中心最重要是不能有任何中止和间断，必须保障每天都能正常而连续地工作二十四小时。戈达德中心以三部计算机为主体，主机是中型计算机，其他两台为备用的小型计算机，主机一旦发生故障，能立即代替主机工作。主机能实时地计算和显示图像、发送与产生指令，还能根据摄影要求用直接或间接的方法通过接收站把指令送往卫星，指挥卫星按照地面要求进行工作。一般情况下，备用的计算机主要作一
15、些辅助工作，以减轻主机负担，其中一台负责处理图像和数据，另一台用于处理即将发送的指令，所以控制中心能连续不间断地工作，5以保证卫星的正常运行，并有效地获取地面电磁波信号。法国 SPOT 卫星的控制中心设在法国的南部城市图鲁兹市郊国家空间研究中心。3 数据处理与管理中心数据处理与管理中心简称数据资料中心，有时也叫数据处理机构。对于遥感星体，地面必须有数据资料中心相配合，以便及时处理遥感的图像信息。否则星体传送下来的数字图像资料就会堆积如山，不仅无法使用，而且造成极大混乱。目前较完善的数据资料中心是资源卫星的数据管理系统，担负把接收站记录的视频信号加工处理成粗制和精制两种图像产品的任务。同时，还要
16、对这些产品进行编目、制卡、编写资料简介等工作，以便管理和提供使用。总之，整个地面系统和星体之间构成一个有机的整体，星体、站网、控制中心、数据处理和管理中心等，就像整套精密机器一样准确而协调的运转。8.2 Landsat 卫星及其影像Landsat 卫星原名地球资源技术卫星 ERTS(Earth Resource Techmtogy Satellite)，它是美国国家航空和航天局（NASA）发射的用来获取地球表面图像的一种遥感平台，以观察陆地环境和资源为主。到目前为止 Landsat 计划已经发射了 17 号卫星，现在正常运行的是 Landsat5 和 Landsat7 号卫星，6 号卫星因发射
17、失败而丢失。图 8-4 Landsat4/5 外形Landsat13 形状、结构（见图 8-2） 、运行轨道基本相同，均携带反束光导管摄像机RBV（Return Beam Vidicon）和多光谱扫描仪 MSS（Multispectral Scanner） 。Landsat45完全相同（见图 8-4） ，是在 Landsat13 的基础上改进设计的，但地面分辨率提高，轨道6高度下降为 705km，运行参数也随之改变；除带有 MSS 外，还带有一套改进的（第二代）多光谱扫描仪，称之为专题制图仪 TM（Thematic Mappe） 。Landsat7 卫星于 1999 年 4 月发射，为保证 L
18、andsat 系列卫星特性的一致性，Landsat7 卫星轨道和周期与 Landsat 5 完全相同，只是传感器改为增强型专题制图仪 ETM+（Enhanced Thematic Mapper Plus）和海洋观测宽视场传感器 SeaWiFs（分辨率 1.13*4.5km，覆盖范围 2800km） 。Landsat 卫星是目前世界范围内应用最广泛的民用对地观测卫星，在围绕地球的轨道上运转，获取了数百万幅有价值的图像。图像上载有丰富的地面信息，在农业、林业、生态、地质、地理、气象、水文、海洋、环境污染、地图测绘等方面得到了广泛的应用。8.2.1 Landsat 的运行特征1 准圆形、近极地轨道L
19、andsat 的轨道为圆形或近圆形轨道，与地面保持等距离。其目的是使卫星图像比例尺基本一致，也使卫星图像的地面分辨率不因卫星高度变化而相差过大；而且根据开普勒面积速度守衡定律可知，圆形轨道上各点卫星速度的大小是不变的，有利于控制卫星姿态，使图像处理简化。Landsat13 轨道倾角 99.125，Landsat4/5、7 轨道倾角 98.22(见图 8-5)，为近极地轨道。这种轨道有利于增大卫星对地面的观测范围，最北和最南分别能达到 N 81和 S 81，利用地球自转并结合轨道运行周期和图形扫描宽度的设计，能保证全球绝大部分地区都在卫星覆盖之下。2 卫星运行与太阳同步Landsat 卫星的传感
20、器只有在较为理想的光照条件下，才能获得高质量的图像。如果每个地区的图像都是在大致相同的光照条件下成像，则便于不同地区和时期影像的对比。因此卫星轨道既要保证传感器在不变条件下进行探测，又要保证卫星运行周期，要求卫星轨道与太阳同步，即卫星轨道相对于地球的角进动，与太阳相对于地球的角进动相等，也就是卫星通过任意纬度的地方时基本是不变的。要实现与太阳同步，卫星运行的轨道必须西移，轨道倾角要大于 90，使两条相邻轨道之间的距离（夹角）与该运行时段内太阳由东向西移动的距离（角度）相等。图 8-5 Landsat 轨道倾角 图 8-6 卫星轨道与太阳同步7Landsat17 号的光照角都为 37.5，为了保
21、证卫星轨道面与太阳地球连线之间在黄道面内的夹角不随地球绕太阳公转而改变，可通过轨道面与地球赤道面的夹角（即轨道倾角）来实现。当轨道倾角大于 90，轨道面自西向东偏转，与地球公转方向一致，如果轨道面偏转的角速度等于地球对太阳公转的角速度，就能保证与太阳同步，有利于卫星在固定的时间飞临地面接收站上空，并使卫星上的太阳电池得到稳定的太阳照度（如图86） 。地球对太阳的进动一年为 360，每天的进动角为 0.9856，为了使光照角保持固定不变，必须对卫星轨道加以修正，平均每圈的修正量为：n 为一天中卫星运行的轨道数n9856.03 采用可重复中高度回归轨道卫星运行周期是指卫星绕地球一周所需的时间，如
22、Landsat13 为 103.26 分，每天可围绕地球 14 圈（如图 8-7） ，形成 14 条间隔 2875km 的条带，条带宽度 185km。第 2 天的轨道紧靠着第 1 天的轨道西移 159km（在赤道上） ，第 19 天的轨道与第 1 天的重合。这样经过 18 天的运行，卫星就可以覆盖全球 1 遍，重复周期是指卫星从某地上空开始运行，回到该地上空时所需要的天数，即对全球覆盖一遍所需的时间，Landsat13 为 18 天；Landsat47 为 16 天。轨道的重复回归性有利于对地面地物或自然现象的变化作动态监测。Landsat 要求对地面有较高的分辨率，同时又有较长的寿命，以便于
23、地球资源调查与制图，所以只能采取中高度的卫星（5001000km ） 。简而言之，Landsat 卫星一般选用准回归太阳同步圆形轨道，是一种中等高度、长寿命的人造卫星，运行轨道参数见表 8-1。8图 8-7 Landsat13 一天的轨道9表 81 Landsat 系列卫星运行参数卫星编号项目Landsat13 Landsat4/5，7轨道高度 H 915 km 705 km轨道倾角 i 99.125 98.22运行周期 T 103.26 min 98.9 min长半轴 7285.438 km 7083.465 km降交点时间(过赤道平均太阳时)t 9：42 am 9：45 am重复周期 D
24、18 天(251 圈) 16 天(233 圈)偏移系数 d -1 -7在赤道上相邻轨道间距离 159 km 172 km成象宽度 185 km 185 km在赤道上相邻轨道间重叠度 26km(14%) 13km(7%)8.2.2 Landsat 图像的空间信息1 图像经纬度卫星图像地理坐标的经纬度表示，是根据成像时间、卫星姿态数据和运行方向等因素，由数据处理机构通过确定卫星的轨道位置在地球表面投影的方法，用计算机求得，注记在像幅四周，其间隔为 30，纬度 60以上地区，采用 1间隔。粗制图像的经纬度是用图像中心点的经纬度推算的，只能作为概略坐标使用；精制图像的经纬度是在概略坐标的基础上，用地面
25、控制点和统一横轴墨卡托坐标纠正后计算而得的，精度较高。卫星图像经纬度受卫星轨道倾角及卫星运行速度控制。由于卫星轨道倾角为 99左右，因此，卫星运行轨道与经线形成一个交角，叫图像方位角。在赤道附近，卫星轨道与经线略呈斜交，故图像上经纬线的布局和地图相似，经线出现在上下边框上，纬线出现在两侧的边框上；在中纬度地区，卫星轨道和经线成明显地斜交，并且总是经线的上端向西斜，所以在像片的同一边框上，可以同时出现经线和纬线；而在极地附近，卫星运行的轨道几乎与纬线平行，所以图像的上下方向为东西方向，与一般地图方位不同。因此，在使用卫星图像时，应当注意单张像片的方位以及它和所编地图的关系。2 图像获取的时间图像获取时间是指获取图像信息的地方时间，Landsat 轨道是与太阳同步轨道，在发射时就确定了通过赤道的平均太阳时为上午 9 时 45 分左右。实际上通过中纬度地区都在上午 910 时左右，因此所有地区基本上都是在这段时间内拍摄的。这种近乎一致的光照条件，使全球范围内相同的地物具有相似的色调和灰度值，同时能形成立体感最强的阴影，便于互相对比，进行一致的分类和识别。图 8-8 Landsat 图像的经纬线网
