遙感視頻衛(wèi)星應用展望

袁益琴， 何國金， 江 威， 王桂周

(1.中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100094； 2.中國科學院大學，北京 100049； 3.海南省地球觀測重點實驗室，三亞 572000)

0 引言

伴隨著遙感技術的快速發(fā)展，空間對地觀測數(shù)據(jù)獲取能力不斷提升，陸地觀測衛(wèi)星的成像時間分辨率不斷縮短，但單星模式高分辨率衛(wèi)星的重訪仍需要2～5 d，即使輕小型衛(wèi)星組建的星座縮短了重返周期，也難以滿足對遙感特定目標進行實時觀測的需求[1-2]。視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)將時間分辨率提升到秒級，在大型商業(yè)區(qū)車輛實時監(jiān)測、自然災害應急快速響應、重大工程監(jiān)控和軍事安全等領域具有重要應用潛力，是未來遙感商業(yè)發(fā)展的重要方向[3-5]。

1 視頻衛(wèi)星國內外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內外已發(fā)射了數(shù)顆可進行視頻拍攝的低軌小衛(wèi)星，其發(fā)射時間與主要技術指標見表1。2007年印度尼西亞發(fā)射了“印度尼西亞國家航空航天研究所-柏林技術大學衛(wèi)星”(LAPAN-TUBSAT)[6]。2009年南非也發(fā)射了與LAPAN-TUBSAT類似的Sumbandliasat視頻小衛(wèi)星[6]。2010年2月11日，NASA發(fā)射了太陽動態(tài)觀測衛(wèi)星(SDO)，該衛(wèi)星可每天24小時對太陽觀測并拍攝有關太陽的4K超高清全彩視頻[7]。Skybox公司于2013年和2014年分別發(fā)射了SkySat-1與SkySat-2，這兩顆衛(wèi)星都可拍攝米級分辨率的黑白視頻。2014年1月，UrtheCast公司將名為“伊里絲”(Iris)的高分辨率虹膜相機送往“國際空間站”并成功安裝，可對地球進行分辨率為1 m的4K超高清全彩(UHD)視頻拍攝[8]。2014年2月，薩里衛(wèi)星技術美國(SSTUS)公司公布了“薩里-V1C”(Surrey-V1C)彩色視頻成像衛(wèi)星產品[3]。在國內，2014年9月由中國國防科技大學研制的試驗衛(wèi)星“天拓二號”發(fā)射升空，可拍攝5 m分辨率的黑白視頻[9]。2015年10月，中國長光衛(wèi)星公司發(fā)射“吉林一號”，該衛(wèi)星可拍攝米級分辨率的全彩視頻[10]。

表1 視頻衛(wèi)星的主要技術指標[11]Tab.1 Major Technical Parameters of video satellites[11]

從表1可以得出，目前以國外發(fā)射的商業(yè)視頻小衛(wèi)星為主，中國商業(yè)視頻衛(wèi)星緊跟國外發(fā)展； 從影像質量來看，Skybox公司和Urthecast公司發(fā)射的視頻衛(wèi)星成像質量較好。Skybox公司發(fā)射的SkySat-1和SkySat-2、Urthecast公司的視頻衛(wèi)星和長光衛(wèi)星公司的“吉林一號”代表了國內外視頻衛(wèi)星發(fā)展的前沿水平。下文分別介紹這3個公司發(fā)射的視頻衛(wèi)星的參數(shù)。

1.1 SkySat-1和SkySat-2衛(wèi)星

SkySat衛(wèi)星的主要技術指標見表2[14]。SkySat-1衛(wèi)星是由Skybox Imaging公司于2013年11月13日發(fā)射的民用對地觀測衛(wèi)星，是世界首顆亞米級視頻衛(wèi)星； SkySat-2衛(wèi)星于2014年7月8日從拜科努爾發(fā)射升空[12]，該衛(wèi)星與SkySat-1相比多了肼推進系統(tǒng)，以完成軌道控制[13]。這2顆衛(wèi)星能在俯仰、滾動和偏航3個方向進行側擺機動，實現(xiàn)了“凝視”對地觀測，互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconducto，CMOS)探測器具有前后左右4個方向的自由度[4]，配合平臺的3個自由度，實現(xiàn)圖像的運動補償，可以以30幀/s的速率連續(xù)捕獲90 s的穩(wěn)定的MP4格式的全高清視頻，也具備捕捉最高質量的彩色圖像和分辨率優(yōu)于1 m的可見光和近紅外圖像的能力。未來Skybox公司將部署24顆小衛(wèi)星構成的對地觀測星座，具備每天8次的重訪能力。

表2 Skysat衛(wèi)星的主要技術指標[14]Tab.2 Major Technical Parameters of Skysat[14]

1.2 UrtheCast衛(wèi)星

2014年1月，加拿大衛(wèi)星初創(chuàng)企業(yè)UrtheCast公司將名為“伊里絲”(Iris)的高分辨率虹膜相機運往“國際空間站”并成功安裝，該相機可拍攝4 K超高清全彩視頻[3]，是全球第一個航天全彩色視頻相機，相機的主要技術指標見表3。由Iris相機采集的視頻為未經壓縮的格式，通過無線傳輸?shù)降孛嫔隙鄠€服務器中。該公司于2015年6月在網上發(fā)布了首個從國際空間站拍攝的高清全彩視頻[13]。2017年，UrtheCast公司計劃在“國際空間站”的寧靜號節(jié)點艙上安裝遙感相機和雷達成像載荷[13]。

表3 UrtheCast衛(wèi)星的“Iris”相機主要技術指標Tab.3 Major Technical Parameters of Iris of Urthecast

1.3 吉林一號衛(wèi)星

“吉林一號”由我國長光衛(wèi)星公司于2015年10月7日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心以一箭四星的模式一次發(fā)射，由4顆小衛(wèi)星組成[10]。 “吉林一號”商業(yè)衛(wèi)星組星的軌道為約650 km的太陽同步軌道，包括一顆光學遙感衛(wèi)星、兩顆地面像元分辨率為1.12 m的靈巧成像視頻衛(wèi)星和一顆技術驗證衛(wèi)星[10]。其主要技術參數(shù)見表4[14]。視頻星主要驗證高分辨率視頻成像技術，可為用戶提供遙感視頻新體驗，是北美以外地區(qū)第一個航天全彩色視頻相機。

表4 “吉林一號”視頻星的主要技術指標Tab.4 Major Technical Parameters of Jilin-1

目前“吉林一號”已發(fā)射4顆衛(wèi)星，計劃到2030年將實現(xiàn)138顆衛(wèi)星組網，形成全球任意點10 min以內的觀測能力，屆時有望提供全球最高時間分辨率和空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)[15]。

2 光學遙感視頻衛(wèi)星成像原理

光學遙感視頻衛(wèi)星有圖像和視頻2種成像模式[14]。圖像模式多應用于傳統(tǒng)對地觀測遙感成像中，即推掃成像模式，如圖1所示。圖1(a)是場景像素組成的陣列； 圖1(b)表示由探測桿組成的用以收集地面輻射信息的焦平面線性陣列遙感器。陣列中每根探測桿由若干CCD原件呈一字排列，沿掃描線收集某一波段的地面輻射信息，均為沿星下點軌跡進行成像，如圖1(c)所示。圖像模式的視頻衛(wèi)星不需要調整衛(wèi)星姿態(tài)俯仰姿態(tài)，其成像范圍限制于衛(wèi)星遙感器視場。衛(wèi)星在相同的軌道高度下，光學載荷的視場越大，其分辨率越低； 視場越小，其分辨率越高[16]。高分辨率圖像通常覆蓋的幅寬很小，對同一目標地區(qū)的重訪周期很長[16]。

(a) 場景像素陣列 (b) 探測器陣列 (c) 推掃成像模式[16]

圖1推掃成像模式示意圖

Fig.1SketchmapofPush-broomimagingmode

視頻模式是光學視頻衛(wèi)星的主要模式，即滾掃式傳感器焦平面成像模式。視頻模式多應用于低軌敏捷衛(wèi)星對地觀測遙感成像中。傳統(tǒng)低軌敏捷衛(wèi)星通過多條帶的拼接方式，進行大范圍的側擺和俯仰成像，實現(xiàn)地面大范圍覆蓋[17]。航天東方紅衛(wèi)星有限公司提出的應用在“吉林一號”衛(wèi)星上的“機動中成像技術”，衛(wèi)星可適時地通過調整姿態(tài)，實現(xiàn)斜條帶、曲線條帶等成像模式[17]。

采用視頻模式的視頻衛(wèi)星沿著其運動軌跡，可通過衛(wèi)星姿態(tài)的快速調整，實現(xiàn)側擺角度范圍內的成像，控制光學遙感器盯住地球上的某一目標區(qū)域，利用面陣探測器對其進行連續(xù)高幀頻凝視成像觀測[6]，同時實現(xiàn)了高空間分辨率和高時間分辨率成像，如圖2所示。由于視頻衛(wèi)星使用的是面陣傳感器，為了保證其光學遙感器的光軸始終對準地面目標區(qū)域，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)需要實時調整衛(wèi)星的姿態(tài)。理論上低軌衛(wèi)星平臺的敏捷調整能力需要達到衛(wèi)星運行速度的1%以上，才可以克服衛(wèi)星的軌道運動、姿態(tài)運動和地球自轉帶來的目標區(qū)域不斷偏離光軸的影響[18]。通過以下相機內方位參數(shù)可以確定成像時刻遙感器的的視線方向： 全框幅面陣在焦平面上的安排、像主點在焦平面上的坐標、各彩色面陣的主距、各彩色面陣的光學畸變系數(shù)、機械臂在載體平臺上的方位、相機的姿態(tài)及其精度、相機光心的位置及其精度、衛(wèi)星轉體的姿態(tài)及其精度等[5]。

圖2 目標凝視成像示意圖[6]Fig.2 Target gaze imaging[6]

低軌敏捷衛(wèi)星的視頻成像模式的優(yōu)勢在于可以利用衛(wèi)星姿態(tài)的機動調整，在一定程度上解決大幅寬與高分辨率的矛盾，成像執(zhí)行能力得以提高，從而在真正意義上實現(xiàn)了高時間分辨率和高空間分辨率。視頻模式的缺點在于衛(wèi)星觀測角度一直在變化，其拍攝的視頻無法進行幾何校準與幾何定位； 另外，視頻衛(wèi)星是通過犧牲觀測的空間范圍來換取高時間分辨率的。

3 視頻衛(wèi)星應用展望

視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)實現(xiàn)了時間分辨率的大幅提升，能夠持續(xù)觀測地表動態(tài)變化。目前國內外學者在該方面的應用還屬于探索階段，主要集中在利用衛(wèi)星視頻數(shù)據(jù)進行車輛目標檢測。George K等[19]使用背景差分法對Skysat-1衛(wèi)星視頻進行車輛檢測，通過先驗知識建立道路掩模，將當前幀與均值建立的背景模板之間的差值進行密度分割，車輛檢測結果的完整度達到80%以上，正確度達到75%以上。Yang T等[20]利用衛(wèi)星視頻序列檢測的車輛生成運動軌跡，計算所有像素點與車輛運動軌跡的距離，設定分割閾值提取道路掩模，結合ViBe背景模型在道路掩模區(qū)域檢測運動車輛，該方法完整度達到82%左右，正確度達到35%左右。本文結合視頻衛(wèi)星成像原理和實際應用需求，展望視頻衛(wèi)星未來可在大型商業(yè)區(qū)車輛實時監(jiān)測、自然災害應急快速響應、重大工程監(jiān)控和軍事安全等領域應用潛力。

3.1 大型商業(yè)區(qū)車輛實時監(jiān)測

大量的商業(yè)情報信息具有典型時效性。目前，遙感獲取信息的能力在時間分辨率上還存在局限性，因此，遙感的時效性成為了遙感應用在現(xiàn)實商業(yè)和生活中的瓶頸。通過遙感的對地觀測手段，可挖掘出商業(yè)活動和遙感影像的聯(lián)系。視頻衛(wèi)星具有高時間分辨率和高空間分辨率，可對特定商業(yè)對象進行實時監(jiān)測，對商業(yè)活動進行實時價值評估，從商業(yè)活動價值評估進而預測商業(yè)行為。如對商業(yè)區(qū)室外停車場車輛進行實時監(jiān)測，分析該商業(yè)區(qū)停車場的車輛停放狀況[21]，總結出該商業(yè)區(qū)停車場車輛的空間化規(guī)律，對車輛數(shù)量、停車場停放情況與商業(yè)區(qū)繁榮進行關聯(lián)研究，進而對商業(yè)區(qū)的營業(yè)情況進行分析預測[22]。

雅典國立技術大學的George Kopsiaftis和Konstantinos Karantzalos對SkySat-1拍攝的拉斯維加斯商業(yè)區(qū)的視頻影像進行了車輛目標提取。圖3紅框處為視頻影像第51幀影像的50 m×50 m研究子區(qū)，基于背景差分法提取出左下圖的背景影像，右圖為提取出的259輛車輛信息[19]。從衛(wèi)星視頻影像中可以計算出車輛密度，圖4是SkySat-1第一幀視頻提取出的車輛密度圖，色調越暖為交通流量密度越高的地區(qū)，色調越冷為交通流量密度越低的地區(qū)。

(a) 視頻影像第51幅影像

(b) 背景影像 (c) 提取出的車輛信息

圖3從SkySat-1視頻影像中進行車輛提取[19]

Fig.3VehicleextractionfromSkySat-1video[19]

圖4 第一幀Skysat-1視頻影像提取車輛密度[19]Fig.4 Extraction of car density from first frame of Skysat-1 video[19]

3.2 自然災害應急快速響應

在自然災害應急快速響應方面，視頻衛(wèi)星可在自然災害誘發(fā)期、災害發(fā)生發(fā)展期、救災與重建期進行全方位動態(tài)監(jiān)測。如果遇到地震、臺風、林火等突發(fā)性自然災害以及漁船遇險等情況，視頻衛(wèi)星實時傳回的動態(tài)觀測影像能幫助救災部門快速判斷、決策。視頻衛(wèi)星還可以實時監(jiān)視大洋環(huán)流、海面溫度場的變化、魚群的分布和遷移、污染物的運移等，有助于海洋漁業(yè)部門和環(huán)保部門采取相應的措施。未來，視頻衛(wèi)星的攝像機的波譜范圍可擴展到紅外波段，對發(fā)生火情的森林進行觀測，通過溫度感應，判斷火災蔓延情況和趨勢，查找火源地點。

圖5為高空氣球搭載的攝像機拍攝的2013年9月美國北達科他州威利斯頓的紅外時間序列影像，該影像為未來紅外視頻衛(wèi)星的研制和應用提供了重要參考依據(jù)。該影像可明顯識別出位于密蘇里河西側的城市中的高亮溫火點。未來具有紅外探測波段的視頻衛(wèi)星可進行熱異常監(jiān)測，實現(xiàn)對火區(qū)的實時監(jiān)測，查找火源點，分析火情蔓延情況并制定相應措施[23]。

圖5 2013年9月威利斯頓的紅外影像[23]Fig.5 Infrared image of Williston in September 2013[23]

3.3 重大工程監(jiān)控

傳統(tǒng)遙感影像時序監(jiān)測常用于城鎮(zhèn)用地變化監(jiān)測，可在提取變化圖斑的基礎上，賦予變化類型的屬性，計算變化面積以及類型轉移情況，編制不同時期的土地利用變化圖及統(tǒng)計表； 也可用于調查城鎮(zhèn)擴展進程及演變規(guī)律、分析城鎮(zhèn)擴展態(tài)勢。與傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星相比，視頻衛(wèi)星目標觀測區(qū)域小，但時效性好，可實現(xiàn)小區(qū)域的定點、定范圍遙感監(jiān)測，使其在一些重大工程領域中有著得天獨厚的應用優(yōu)勢，可為及時了解重大工程的進展、工程建設對周邊生態(tài)環(huán)境的影響等提供實時的視頻信息支持。

圖6(a)與圖6(b)分別對2013年12月21日和2015年1月18日我國高分一號衛(wèi)星(GF-1)多光譜數(shù)據(jù)進行R(3)，G(4)，B(2)波段合成的江西省定南縣的礦山圖。該礦區(qū)屬中低山地形地貌區(qū)，地勢東南高、西北低，溝谷發(fā)育。圖中可見，礦區(qū)(呈不規(guī)則紫紅色影像紋)在2013—2015年間有向西南方向擴張趨勢。但GF-1其空間分辨率為8 m，時間分辨率為4 d，無法實時監(jiān)控礦山的開采狀況、尾礦庫堆放面積、采石場的規(guī)模和數(shù)量等。目前最常用的Landsat系列衛(wèi)星重返周期為16 d，QuickBird衛(wèi)星重返周期為4～6 d，WorldView衛(wèi)星重返周期為1.7 d，使用現(xiàn)有的光學衛(wèi)星都無法滿足對礦山實時監(jiān)測的需要，另外云霧、雨雪等氣象因素也會導致測區(qū)有效成像覆蓋時間的不確定。而視頻衛(wèi)星可以在1秒內連續(xù)拍攝25～30幀的影像，可以全面了解礦區(qū)的開采現(xiàn)狀和環(huán)境的動態(tài)變化狀況，預測未來礦區(qū)的變化趨勢，為礦管部門決策提供依據(jù)。

(a) 2013年12月21日定南縣稀土礦開采圖 (b) 2015年1月18日定南縣稀土礦開采圖

圖6定南縣稀土礦開采圖

Fig.6MiningmapofDingnanCountyrareearthsmine

3.4 軍事安全

戰(zhàn)場態(tài)勢和攻防布陣瞬息萬變，需要快速、及時地提供戰(zhàn)區(qū)的情報偵察信息。最初為了軍事應用研制出了遙感衛(wèi)星，后來遙感從軍事專用領域擴展到了民用領域。進入21世紀后，軍用遙感成像衛(wèi)星“快門控制權”更為明顯，只要有國家或機構對地表的任意一處場景感興趣，就可以拍攝地球上任何一處地方的細節(jié)。高分辨率視頻偵察衛(wèi)星可以快速、實時、動態(tài)地監(jiān)測對手的基本態(tài)勢，了解其軍事部署和重要軍事目標的情況，提高了國家的戰(zhàn)略偵察能力[24]。

目前軍用遙感最高空間分辨率為美國的“鎖眼12號”衛(wèi)星達0.1 m。對于時間分辨率，則可通過采用分布式星座縮短衛(wèi)星的重訪周期、擴大視場寬度等手段來提高。相信，視頻衛(wèi)星將是未來軍事應用的重要發(fā)展方向。圖7為谷歌地圖中也門軍事區(qū)的導彈炸毀地面的凹陷，可利用視頻遙感衛(wèi)星影像進行實時監(jiān)測。

圖7 也門被導彈炸毀的地面Fig.7 The ground blown up by missile in Yemen

圖8為Skysat-1拍攝的迪拜某區(qū)域的視頻影像，在30 s的視頻中完整地記錄了一架飛機從迪拜上空飛過的過程。在軍事中，視頻衛(wèi)星更可以對飛機、航母、港口、坦克、裝甲車等具有軍事意義的目標，實施實時偵查、監(jiān)測或跟蹤，以收集地面、海洋或空中軍事目標的軍事、安全情報。視頻衛(wèi)星在軍事偵查、軍事測繪、海洋監(jiān)視中將發(fā)揮巨大作用[25]，可對熱點地區(qū)、邊境線連續(xù)監(jiān)視，為邊境小規(guī)模沖突處置、突發(fā)性群體事件處置提供參考依據(jù)。

4 結論

視頻衛(wèi)星的發(fā)展是技術進步推動和應用需求牽引的結果，也是未來對地觀測的重要發(fā)展趨勢。對于一個特定區(qū)域或應用，采用一顆視頻衛(wèi)星代替衛(wèi)星組網，可降低成本、提升應急響應的速度，其優(yōu)勢在逐步顯現(xiàn)。人類對空間信息時效性的需求越來越高，目前遙感獲取信息的能力在時間分辨率上還存在局限性，視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)和發(fā)展為滿足高時間分辨率信息需求提供了可能，隨之而來也對遙感數(shù)字圖像處理在理論和技術上提出了新的要求，視頻衛(wèi)星的出現(xiàn)和發(fā)展將改變傳統(tǒng)靜態(tài)單景影像的圖像處理模式，未來將發(fā)展為對多幀動態(tài)視頻影像的快速圖像處理模式。

視頻衛(wèi)星對目標區(qū)域進行長時間連續(xù)成像，可提供某地區(qū)動態(tài)信息，實現(xiàn)長時間動態(tài)實時監(jiān)測，增強天基動態(tài)實時對地觀測，服務于車輛實時監(jiān)測、應急快速響應、重大基礎設施監(jiān)控以及軍事安全等領域。當然，目前視頻衛(wèi)星尚未形成衛(wèi)星組網，重返周期長，攝像機無法進行長時間連續(xù)工作，遙感傳感器帶來的海量數(shù)據(jù)仍存在遙感信息缺失、難解譯等問題[26]，對視頻衛(wèi)星的應用推廣帶來一定的難度。未來，視頻衛(wèi)星將形成太陽同步軌道的衛(wèi)星組網以提高時間分辨率； 另外，星載、空載和地面立體視頻成像將為某些特定應用提供更為可靠、及時的信息支持。