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[转载]SPOT系列卫星及其数据产品的特征

已有 4558 次阅读 2012-1-12 20:07 |系统分类:科研笔记|关键词:产品,法国,分辨率,分类号,中国| 中国, 法国, 产品, 分辨率, 分类号 |文章来源:转载

作者:冯钟葵 厉银喜   来源:中国GIS资讯网

【摘要】本文简要介绍了法国SPOT系列卫星的轨道、图像传感器和图像数据的主要特征,在此基础上,结合中国遥感卫星地面站的实际情况,介绍了SPOT卫星数据产品的形式及主要参数。最后,简要描述了SPOT系列卫星的发展概况。
  【关键词】SPOT卫星,数据,产品
  【中图分类号】 TP79
  【文献标识码】 E
  【文章编号】1000-3177(1999)55-0031-04
  1986年2月法国SPOT-1卫星发射以来,SPOT卫星数据由于其较高的地面分辨率、可侧视观测并生成立体像对和在短时间内可重复获取同一地区数据等有别于其它卫星遥感数据的特点,而受到遥感用户的青睐。到目前为止,SPOT系列卫星共发射4颗,除SPOT-3于1996年12月失效外,其余都在正常运行。SPOT系列卫星已在轨运行十余年,共获取了约500万景图像数据,在土地利用与管理、森林覆盖监测、土壤侵蚀和土地沙漠化的监测以及城市规划等人与环境的关系研究方面,都发挥了重要的作用。  中科院遥感卫星地面站已于1997年8月完成了对系统的升级,具备了接收处理SPOT-1、2、3卫星的能力,并于1998年10月与法国SPOT IMAGE公司合作成立了北京视宝公司,向全国遥感用户分发SPOT数据产品,为SPOT数据在中国的广泛使用创造了条件。  本文将对SPOT系列卫星及其数据和产品特征做一概要的介绍,使读者和遥感用户更方便地选用SPOT卫星数据。1 SPOT卫星的轨道特征  SPOT卫星轨道是太阳同步的、同相位的、近极地近圆形轨道。轨道的太阳同步可保证在同纬度上的不同地区,卫星过境时太阳入射角近似相同,以利于图像之间的比较;轨道的同相位,表现为轨道与地球的自转相协调,并且卫星的星下点轨迹有规律地、等间距排列;而近极地近圆形轨道在保证轨道的太阳同步和同相位特性的同时,使卫星高度在不同地区基本一致,并可覆盖地球表面的绝大部分地区。以下是SPOT卫星轨道的基本数据:  轨道高度: 831.433 km(北纬45°附近);  轨道倾角: 98.721°;  轨道周期: 101.46分/圈;  重复周期: 369圈/26天;  降交点时间: 地方时10:30分;  卫星在轨道中运行,会受到太阳、地球和月球的引力场及大气阻力等因素的影响,卫星的轨道高度和倾角将会逐渐降低,严重时将影响轨道的太阳同步性和运行周期,并导致卫星地面轨迹偏离标称位置。为此,卫星在地面指令的控制下,定期调整轨道,使卫星高度相对于地面任何点的误差不超过5 km,卫星地面轨迹的偏差在赤道附近小于3 km、在中高纬度地区小于5 km,降交点时间的误差在10分钟以内。2 SPOT卫星的成像传感器及图像数据的基本特征   每颗SPOT卫星上都装有两个性能相同的光学成像传感器,对SPOT-1、2、3卫星(以下简写SPOT-1、2、3)是HRV(High Resolution Visible),对SPOT-4卫星是HRVIR(High Resolution Visible InfraRed)。HRV(IR)传感器的主要光学特性如下:  视场角:4.13°;  数值孔径:f/3.3(焦距为1.082 m);  焦距:1.082 m;  孔径:33 cm;  放大倍数:770000。  SPOT-1、2、3的HRV传感器有4个波段,在可见光和近红外波段成像。
                      表1 SPOT-123的波段和分辨率

多光谱XS
20
米分辨率

B1

0.500.59μm

B2

0.610.68μm

B3

0.780.89μm

全色P10米分辨率

Pan

0.500.73μm


其中全色模式P采用6000像元的CCD探测器,每个像元尺寸为13μm,信号采集时间约1.504 ms,可获取地面分辨率为10 m×10 m的图像数据;多光谱模式XS同样是6000像元的CCD探测器,但采用合并相邻像元和延长信号采集时间至3.008ms的方法,图像的地面分辨率为20 m×20 m。  SPOT-4的HRVIR传感器的主要参数见下表:
                             表2 SPOT-4的波段和分辨率

多光谱XI
20
米分辨率

B1

0.500.59μm

B2

0.610.68μm

B3

0.780.89μm

SWIR

1.581.75μm

单色M10米分辨率

B2

0.610.68μm


SPOT-123不同之处在于,SPOT-4 HRVIR传感器采用与多光谱XI模式B2波段光谱范围相同的单色模式M,取代了原来的全色P模式;而多光谱XI模式增加了一个短波红外波段(SWIRShort Wave Infrared),增强了SPOT卫星在农业和森林资源调查、地表积雪覆盖的监测及地质矿产资源勘探等方面的应用潜力。
  此外,SPOT-4还搭载了其它一些探测仪器,其中为欧盟国家合作项目开发的VEGETATION仪器,提供2000 km幅宽、地面分辨率约1 km的观测数据,该仪器选用HRVIR传感器的B2B3SWIR波段,另外增加了一个B0波段(0.430.47μm),用于观察全球环境的变化。

3 SPOT卫星的侧视功能和重复观测能力
  SPOT卫星除以上介绍的特点外,还具有向星下点轨迹两侧的侧视能力,所获取的数据条带与卫星地面轨迹平行。通过调整HRV(IR)传感器的数据条带选择镜片(strip-seletion mirror,简写为SSM)的角度,可观测到星下点轨迹两侧±27°、共950 km宽范围内的地面目标,地面数据条带的宽度也由星下点附近的60 km,扩展到两侧最外端的81 km。
  SPOT卫星的侧视功能,缩短了对同一地面目标的观测周期,可在二至三天内获取同一颗SPOT卫星数据,也可在一至三天内分别获取两颗SPOT卫星的数据。
  SPOT卫星的侧视能力为获取立体像对提供了条件。立体像对是卫星在不同的轨道上,以不同的角度对同一地区观测所获得的图像对。SPOT卫星的立体观测能力,结合其高分辨率的P或M模式数据,在制图、地形测量及水文调查等方面,可以得到有效的应用。
  SPOT卫星利用其侧视功能,同步调整两个HRV(IR)传感器的侧视角度,在同一数据模式下,获取两条毗邻的数据条带,称双传感器观测。双传感器观测可一次获取较大范围的图像数据,在近似垂直观测时,拼接后的数据条带宽度约为117km。

4 SPOT卫星的数据组合模式
  前文提到,SPOT卫星有两个HRV(IR)传感器,每个传感器有两种工作模式,即全色模式P和多光谱模式XS(SPOT-1、2、3)、或单色模式M和多光谱模式XI(SPOT-4)。SPOT卫星有两条下行数据通道,数据传输速率各为25 Mbit/s,可同时传输两种模式的数据。因此,SPOT卫星数据的组合模式为:

                            表3 SPOT-123的数据组合模式

HRV1

XS

P

XS

P

P+XS

-

HRV2

XS

P

P

XS

-

P+XS

  其中P+XS是同一传感器同时获取PXS模式的数据,波段B1B2B3生成20m的地面像元,波段P生成10m的地面像元;

                             表4 SPOT-4的数据组合模式

HRVR1

XS

XS

M

XS+M

-

M

-

XI+M

XI

M

XI

HRVR2

XS

M

XS

-

XS+M

M

XI+M

-

M

XI

XI

模式

SPOT-123模式

 

SPOT-4模式


  其中SPOT-4卫星也可以采用SPOT-1、2、3的方式获取数据,此时,HRVIR传感器多光谱模式仅传输B1、B2和B3波段数据。

5 SPOT卫星的地面数据条带
  地面数据条带是指,某一HRV(IR)传感器在不改变其工作状态的情况下,沿卫星运动方向获取的地面图像数据。
  由于传感器工作状态(数据模式和侧视角度)的变化,同一传感器的各数据条带之间会有间隔(间隔内无图像数据),间隔的大小、数据条带的切换等,因卫星而异:
  .SPOT-1、2、3:数据条带之间的间隔通常约合2~3个标准景的长度,数据条带的切换对两个传感器同时有效,即当某一传感器因调整SSM的位置或改变数据模式而停止获取图像数据时,另一传感器也停止获取图像数据;
  .SPOT-4:数据条带之间的间隔小于2个标准景长度,同时,数据条带的切换是独立的,即某一传感器的工作模式改变时,不影响另一传感器继续获取地面图像数据;但是,SPOT-4的这一特征,在卫星工作于SPOT-1、2、3方式时,不起作用。
 

6 SPOT卫星的数据产品
6.1
 SPOT卫星数据产品的定义

  根据法国SPOT IMAGE公司对SPOT数据产品的定义,和中科院遥感卫星地面站预处理系统的功能设计,中科院遥感卫星地面站的SPOT卫星数据产品可分为Level-0级、Level-1级和Level-2级产品。
  ①Level-0级产品:是SPOT数据未经任何辐射校正和几何校正处理的原始图像数据产品,它包含了用以进行后续的辐射及几何校正处理的辅助数据。主要用于地面站与法国SPOT IMAGE公司之间的数据交换;
  ②Level-1级产品:又分为Level-1A级和Level-1B级产品。
  .Level-1A级产品:是SPOT数据经辐射校正处理后的产品,包含了用以进行后续的几何校正处理的辅助数据。Level-1A产品是针对那些仅要求进行最小数据处理的用户而定义的,特别是进行辐射特征和立体解析研究的用户;
  .Level-1B级产品:是SPOT数据经过了Level-1A级辐射校正和系统级几何校正的产品。在处理中,由于卫星轨道、姿态及地球自转等因素造成的数据几何畸变得到了纠正,数据经重采样得到的图像像元尺寸分别为10m(全色模式和20m(多光谱模式);
  ③Level-2级产品:是在Level-1级产品的基础上,引入大地测量参数,将图像数据投影在选定的地图坐标下,进而生成有一定几何精度的图像产品。依照引入参数的类型,Level-2级产品也可分为Level-2A级和Level-2B级产品:
  .Level-2A级产品:将图像数据投影到给定的地图投影坐标系下,地面控制点参数不予引入;
  .Level-2B级产品:引入地面控制点GCP,生成高几何精度的图像产品;
6.2
 SPOT卫星数据产品的格式
  根据SPOT卫星数据的获取方式,和地面站预处理系统对数据产品的组织形式,中科院遥感卫星地面站的SPOT卫星数据产品可分为整景、1/4景、移动景和子区产品,其中SPOT-123卫星HRV图像数字产品的主要参数如表5,需要说明的是,移动景是将标准景景中心沿卫星运动方向移动1%~99%后,再按照整景、1/4景和子区形式生成产品,移动景只有Level-2A级产品;另外,子区产品的图像坐标网格平行于地图的公里网,换言之,子区产品是指北的。

  中科院遥感卫星地面站提供多种记录格式和记录介质,记录SPOT卫星数据产品。考虑到国内遥感用户的使用习惯,地面站参照EOSAT的快速格式记录SPOT卫星Level-1ALevel-1BLevel-2A级数字产品,同时还可以用CCRSCRISSPIM格式进行记录。记录介质分为CCT磁带、8mm磁带和CD-ROMCCT磁带的记录密度有1600bpi6250bpi8mm磁带的记录密度有低密度和高密度两种,CD-ROM产品是参照磁带产品的格式,将数据记录在光盘上。

7 SPOT系列卫星的发展
  SPOT系列卫星至今已发射了4颗,目前在轨运行的有SPOT-1、2、4。法国SPOT IMAGE公司计划在2002年发射SPOT-5卫星,以满足用户对SPOT数据的持续需求。
  SPOT-5卫星将与其前期卫星一起,运行于同一轨道,以继续保持对地观测的高重复周期。
  SPOT-5卫星拟用HRG(High Resolution Geometry)传感器,替代SPOT-4的HRVIR传感器,HRG有以下新的特征:
  .更高的地面分辨率:以5m或3m的分辨率替代全色波段10m分辨率的数据,以10m分辨率替代多光谱波段20m的数据;而对短波红外波段,仍维持20m的地面分辨率;
  .采用12000像元的CCD探测器,以维持60km的地面数据宽度;
  .保留传感器的侧视功能,以增强重复观测能力;
  .增加沿轨道方向的立体成像功能;
  .保留SPOT-4的波段组成,但应大多数用户的要求,将全色波段的波谱范围恢复到SPOT-1、2、3的设置上;
  .采用新的技术,提高图像的几何精度。
  SPOT-5采用了新的技术来实现以上特征,例如采用新的数据压缩方法、并利用150Mbit/s的速率传输下行数据,选用新型材料以保持传感器性能的稳定,装备大容量存储器以满足数据存储的需要等。

作者简介:冯钟葵,男,1960年8月出生.1984年毕业于北京大学无线电系,获理学学士学位;1991年毕业于北京大学遥感所,获理学硕士学位.现为中科院遥感卫星地面站副研究员,从事遥感图像的预处理研究及部分应用研究,已发表论文10余篇.
作者单位:中科院遥感卫星地面站,北京100086

参考资料
1 SPOT to direct receiving station interface document. S-IF-O/E-10-SI
1997
2 Geocoded image correction system software reference manual. GICS Release 5.2
GC-MA-50-39141994
3 Geocoded image correction system operator's manual
GICS Releas 5.2GC-MA-50-39131994


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