大面阵测绘相机与线阵相机的区别,长春长光睿视？
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发布时间：2022-04-20 03:42
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时间：2023-06-28 05:57
近日，我国第一颗民用亚米级高分辨率光学立体测绘卫星高分七号发射成功，引发了大众对于立体测绘的好奇。
那么，卫星可以采用哪些方式进行立体测绘呢？
立体测绘，顾名思义，就是要获得地物不同视角的立体像对，再通过测绘原理，得到每个地物特征点的空间三维坐标。
要获得立体像对，方式有很多种，可以说是条条大路通罗马
01. 单星多线阵方式
单星多线阵方式为众多的专业测绘卫星采用，可以进行大范围的成像获取，且卫星的姿态平稳，有利于提升测绘的精度，可分为三线阵和双线阵两类。 三线阵 即三台单独的线阵相机以不同角度安装，通过卫星的飞行，分别获取地物的前视、正视和后视影像，最早于上世纪80年代由德国科学家提出并实施，是工程化较早的专用测绘卫星形式。我国很早就引入了这一设计理念，上世纪90年代，长春光机所就开展了三线阵测绘相机研发。2000年，哈工大作为卫星总体，主持了“探索一号”立体测绘微小卫星研制，成功在轨验证了三线阵测绘技术可行性。之后我国的天绘一号、资源三号等卫星，均采用了三线阵方式，解决了我国1:5万测绘产品生产以及1:2.5万地形图修测问题，为我国的国土测绘事业做出了巨大贡献。
天绘一号三线阵相机（来自：泰伯网）
随着测绘比例尺的提升，需要的卫星图像分辨率越来越高，相机的焦距和体积也随之增加，要在一个卫星平台上安装三台相机变得困难。因此，又出现了 双线阵 的方式。虽然与三线阵相比，双线阵缺少一个正视视角影像参与测量平差处理，对平台姿态平稳性的要求更高，但也为一些大比例尺测绘卫星采用。印度的Cartosat-1和我国近期发射的高分七号卫星，就采用了双线阵方式，即两台相机分别获取地物的前视和后视影像。高分七号可以满足无控制点条件下1:1万比例尺测绘产品的生产，可以说是国土测绘的利器。
02. 单星单线阵方式
即使卫星只装有一台相机，其实也可以在一定条件下获取目标的立体像对，实现立体测绘，比如常说的同轨立体和异轨立体。
同轨立体 是利用卫星机动，在前摆和后摆的情况下分别对目标进行推扫成像，要求卫星有极高的姿态机动能力，美国DigitalGlobe公司的Worldview系列卫星，法国意大利联合研制的Pleaides卫星以及我国的高景一号卫星，都有类似功能。但与双线阵相比，同轨立体需要卫星来回摆动，无法获取长条带的大区域图像。
WORLDVIEW卫星的同轨立体测绘（来自：DIGITALGLOBE）
异轨立体 是指利用不同轨对同一目标的不同视角进行成像，获得立体像对，用于生产立体测绘产品。早期的法国的SPOT-5卫星，既有同轨立体模式，也有异轨立体模式，提供丰富的立体测绘产品。异轨立体可以获得较长的条带，但是立体像对的获取一般需要较长时间（取决于卫星轨道设计），目标区域天气的变化可能会带来获取和处理的困难。
SPOT-5卫星异轨立体原理（来自：www.CHARIM.NET）
长光卫星近期发射的吉林一号高分02星，运行轨道具有相邻2天分别左右侧摆重访同一目标区域的能力，因此，也开展了异轨立体成像的测试。下面的视频便是吉林一号高分02星，利用相邻2天对同一区域成像结果（一次左侧摆，另一次右侧摆）制作的数字高程产品。根据高分02卫星的相关指标进行的理论计算表明，在稀疏控制点（只需3个）参与的条件下， 测绘产品指标有望符合1:1万立体测绘标准 ，相关实际指标的严格测试正在陆续开展。
吉林一号高分02异轨立体测绘产品(在轨测试期)
除了上述几种方式，近年来，随着面阵成像的高分辨视频卫星例如美国的Skysat，中国的吉林一号视频星和英国Earth-i等出现，又出现了一种新的立体测绘方式:视频星立体测绘。
视频星立体测绘
视频星采用凝视面阵成像（SAIT [1]）方式成像，通过卫星姿态的不断调整，使光轴始终指向地面目标，从而获取凝视视频。在这个过程中，由于卫星运动，地面目标的观测视角也随之改变，因此，可以获得N个不同视角的影像（N=成像时间X帧频）。比如一段30秒，10fps的视频，就可以得到300张不同角度的目标图像！因此，在这些图像的基础上，自然也可以进行立体测绘产品的开发。
卫星凝视面阵工作原理
冷知识：也不能说面阵凝视是“新方式”，毕竟面阵是一种古老，也是人类最熟悉的成像方式。而且对于测绘学家来说，面阵成像一次曝光就完成所有像素的采集，是最理想的测绘成像方式，不会像线阵推扫在成像过程中还会受到姿态变化的影响。但是在卫星高分辨成像领域，由于卫星的高速飞行，传统的对地三轴稳定无法给面阵提供足够的稳像，读出速度更快、灵敏度更高的线阵探测才不得已成为主流。视频卫星的出现，让面阵在高分辨测绘领域有机会实现了小小的逆袭。
虽然面阵凝视方式获取的立体图像区域不如多线阵立体测绘卫星范围那么大，但也能达到较高的指标。作为视频卫星的附带功能，“技多不压身”，可以说是相当优秀呢。比如吉林一号视频星的数字表面模型（DSM）和数字高程模型（DEM）产品，经多个国内权威机构的实际测试表明： 在2m网格条件下，相对高程精度优于3m，一次过境可获取100km²区域的立体测绘数据。
