遙感系統分辨率的辨析與評測

張永生

(信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450001)

0 引言

無論是在機載平臺還是在星載平臺上實施對地觀測，空間遙感系統都是核心的任務載荷，其中光學遙感系統在航空航天遙感活動中占有較大的比重。光學遙感系統的主體，通常由一個或多個光學成像傳感器及輔助其同步測量成像時刻位置與姿態變化量的設備單元組成。如果把與對地觀測平臺相關的效能指標加以分離(如地面覆蓋能力)，單獨考慮遙感系統的性能指標，往往可以從一組分辨率的數值對其進行描述和刻畫。分別從幾何和物理屬性出發，這樣的一組分辨率指標大體上可歸結為空間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和姿態分辨率。通過分辨率指標概要地、簡潔地描繪出空間遙感系統的能力，甚至簡化地論述對地觀測系統的綜合能力，已經成為學界和業界習慣性采用的簡便方法。

用分辨率指標簡便描述遙感系統的性能，有其存在的合理性和高度概括的有效性。不過，由于對地觀測任務的巨大差異，空間遙感系統的實現形式各不相同，對各個分辨率指標的定義和理解也就必然存在差別，甚至產生了一些模糊地帶。國際上與空間遙感相關的諸多學科經典文獻對各個分辨率的定義和論述[1-4]在側重點上不盡一致，需要對其實質進行必要的厘清和辨明。特別是我國正在開展的“高分辨率對地觀測系統”國家重大科技專項及日益繁榮的商業遙感市場，日益呈現出多學科大合作的嶄新局面。各學科專業在技術協作、系統對接、共性問題探討方面，十分需要建立較為一致的專業技術話語體系，對于各個分辨率的概念、定義和指標的內涵能夠在相近的層面、相容的思維空間形成彼此無誤的認知與理解。尤其是，處于構建高分辨率對地觀測系統諸多關鍵節點的指標分配、銜接和傳遞過程，更加需要精準、無偏差地把握各種分辨率的確切內涵。本文正是基于這樣的考慮，試圖對前述的五種分辨率的意義進行討論和辨析，并結合一定的實例加深對問題的理解。

1 空間分辨率

1.1 空間分辨率是否等同于地面采樣間隔？

遙感系統的空間分辨率(spatial resolution)，也稱地面分辨率，其含義是指遙感系統或遙感影像區分地面上兩個目標的最小角度或者最小線性距離的度量值。通過對國內外文獻的分析[5-7]，我們把空間分辨率歸納為以下四種表示方法。

1)線對數(line pairs，LP)。早期以膠片類感光材料為影像記錄介質的攝影成像系統，采用1 mm間隔內影像上可區分的等寬度明暗條紋的線對之數量來表示，在傳統攝影測量行業也稱其為分解力(resolving power，RP)，單位為線對/mm。這樣的表示方法，能夠確切地反映地面上邊界清晰目標間的分辨能力。譬如，某型返回式攝影測量衛星的成像比例尺為1∶10萬，攝影膠片影像的分解力為30線對/mm；美國Ikonos衛星的成像比例尺為1∶68 100，經判讀分析其CCD全色影像的分解力為40線對/mm。

2)瞬時視場(instantaneous field of view，IFOV)。IFOV是指遙感成像傳感器內單個探測單元的受光角度或觀測視野的大小，單位為毫弧度(mrad)。IFOV越小，最小可分辨單元也就越小。然而，在任何一個確定的瞬時視場內，往往包含著不止一種地面覆蓋類型和紋理特征，其所記錄的是一種復合信號響應。每個單元記錄的影像既可能是“純”像元，也可能是“混合”像元，因此，僅靠IFOV尚不能確切地表達地面物體的真實分辨能力。

3)地面分辨間隔(ground resolved distance，GRD)。這是一種結合傳感器成像幾何參數和影像線對數(分解力)導出的空間分辨率指標。假定成像平臺飛行的相對高度為H，傳感器光學鏡頭的焦距為f，可以得到式(1)。

GRD=(H/f)/LP

(1)

仍以Ikonos衛星為例，H為681 km，f為10 m，LP為40線對/mm，則計算得GRD為1.7 m。因此，在Ikonos衛星全色影像上分辨出相鄰明暗線條的最小距離為1.7 m。

4)地面采樣間隔(ground sample distance，GSD)。通常以傳感器單個探測單元所采集地面影像的線性距離來表示，實際上就是遙感影像上每個像元(pixel)對應地面的單邊長度。Ikonos衛星的CCD單元尺寸為12 μm×12 μm，按照其成像比例尺，不難得出其全色影像的星下點GSD為0.817 m。考慮到計算成像比例尺的軌道高度為平均相對航高值，在地面起伏條件下，每個地面點的成像比例尺均不盡相同，因此，Ikonos衛星全色影像的標稱GSD約為1 m。

對比Ikonos衛星的GRD和GSD，顯然影像的實際分辨能力，不是標稱的GSD能夠達到的。因此，也把GSD稱為名義空間分辨率(nominal spatial resolution)。相對而言，經過判讀影像的地面明暗線對數后計算出的GRD，更能反映真實影像對地面目標的分辨能力。GSD是根據傳感器設計參數得出的數值，與真實獲取的影像并不對等。

1.2 遙感系統空間分辨率的評測與分析方法

評測遙感系統真實分辨能力的常用途徑，是在地面布設不同形狀、黑白分明的人工靶標，其中以不同寬度的平行線和幾何輻射狀的扇形(或圓形)靶標為主[8](圖1、圖2、圖3)。

圖1 分解力測試圖案

圖2 美國Stennis衛星分辨率靶標

圖3 中國嵩山遙感定標場分辨率測試靶標圖[8]

2 輻射分辨率

2.1 輻射分辨率怎樣理解？

遙感系統的輻射分辨率(radiometric resolution)，是指傳感器能區分目標反射或輻射電磁波強度變化量的能力。在可見光、近紅外波段用噪聲等效反射率表示，在熱紅外波段用噪聲等效溫差、最小可探測溫度和最小可分辨溫差表示。輻射分辨率的計量用式(2)表示。

RL=(Rmax-Rmin)/D

(2)

式中：Rmax為最大輻射量值；Rmin為最小輻射量值；D為量化級。RL越小，表明傳感器越靈敏。

2.2 輻射分辨率與輻射量化等級的關系

輻射分辨率的高低取決于傳感器對輻射量區分和測量的靈敏度。感光材料(如膠片)或光敏器件(如CCD、CMOS)的性能[9]，決定了輻射記錄的質量。輻射量的絕對測量和相對測量，以及因器件性能衰減導致的變化量的動態跟蹤，通常需要通過各階段多模式的輻射定標才能精確掌握。輻射定標是將傳感器記錄的數值轉換為絕對輻射亮度的過程，這個輻射亮度在本質上應該是與傳感器采集影像的構成特性無關，是真實的客觀光亮度。輻射定標既可以是相對定標，也可以是絕對定標。對于一個理想的線性傳感器，絕對定標是通過傳感器的數字值(DN)乘以一個比值來進行，該比值通過光學系統入瞳處精確已知的均一輻射亮度確定。而相對定標則將一個波段內所有探測器的輸出歸一化為一個給定的輸出值(通常為平均值)。

由此不難理解，傳感器的輻射測量及其定標，是完成被觀測地面區域和目標亮度(或輻射強度)的路徑。輻射分辨率RL的計算，其核心在于最大、最小輻射量值Rmax和Rmin的取得。而量化級D值的確定，則是人為的選擇。D值的設計和選擇，取決于輻射測量的信噪比，只有在器件靈敏即信噪比有足夠保證的情況下，才是有意義的。早期遙感系統采用8位(256級)量化，隨著傳感器性能的提升，逐步提高到10位(1 024級)、11位(2 048級)或12位(4 096級)的D值。例如，SPOT 5、GeoEye-1、EO-1衛星，分別采用10、11和12位的量化等級；我國的天繪一號、資源三號、高分一號衛星，則主要采用10位的量化等級。隨著探測系統整體質量的提高和輻射定標技術的改進，我國“高分”系列后續光學遙感衛星多數已采用11位量化等級。在輻射測量器件質量不高時，人為提高D值并不恰當，只會額外增加無效的遙感影像數據量，增加衛星遙感數據傳輸的負擔，對于高質量的對地觀測并無價值。

因此，輻射分辨率與量化等級不存在嚴格意義上的對應關系，只有當輻射定標準確且對輻射測量的信噪比有客觀評估，確定的量化等級和由此計算的輻射分辨率才能描述傳感器的真實能力。

2.3 輻射分辨率定標評測方法

國際地球觀測衛星委員會(Committice on Earth Observation Satellite，CEOS)定標與真實性檢驗工作組把遙感定標定義為：定量地確定遙感系統對已知的、可控制的信號輸入響應的過程。定標的核心內容是確定電磁輻射的響應及其與若干變量的函數關系，包括：輸入信號的強度(輻射響應)、不同的積分時間和光學系統的設置、噪聲信號(如雜散光和其他光譜波段泄露光的影響)、波長/波段(光譜響應)、在不同瞬時視場角/全景的位置差異(空間響應)。其中，前三項主要涉及輻射定標，第四項歸于光譜定標，第五項則屬于幾何定標的范疇。光譜和幾何定標隨后專門討論，本節重點分析與輻射分辨率密切相關的輻射定標方法。

衛星遙感系統的輻射定標，通常分為發射前和發射后的定標，其所采用的方法、手段、設備和流程差異很大。發射前在實驗室或制造、安裝的穩態環境中，采用積分球等設備對遙感系統進行定標，可獲得穩定、可靠的定標參數，相應的定標方法和技術流程已經十分成熟。但是，在發射后的太空環境中，定標結果會隨著傳感器周圍環境的變化而改變。因此，發射后變化的定標參數需要通過外場定標方法獲得。外場定標也稱為天地一體的場地定標，是一種在軌運行的遙感系統結合地表天然或人工場地進行定標的技術途徑，也是更符合遙感器實際應用狀況的業務化、常態化定標模式。

1)天然場地定標。利用海洋、沙漠、云、雪、冰殼、月亮等自然場域和天然靶標條件，進行輻射定標，是行之有年的常用定標方法，主要利用已知的大氣和地面目標物理特性，將觀測到的輻射亮度與輻射傳輸計算的結果進行比較，從而改進和補償定標參數的變化。這種方法的優點是不需要額外的場地建設投入，缺點是不易到達場地，有不可控的因素。

2)人工場地定標。人工輻射定標場，是在選定的地域鋪設或固化一定規格的輻射靶標，其靶標反射率根據需要人為設定，方便在任何時候在較為恒定的條件下重復實施定標作業。美國NASA斯坦尼斯的遙感定標場及中國嵩山衛星遙感定標場、包頭北方遙感定標場等，均采用了這種模式。對于視場較小的高分辨率遙感衛星，人工場地的定標模式具有顯著的優勢，已經取得良好的應用效果。

3)點光源設備定標。在特別建設的定標場，利用人工鋪設的具有均勻低反射率的背景，設置反射太陽光的凸面鏡或者自發光裝置進行輻射定標，是近年來高分辨率衛星遙感定標的最新發展趨勢。美國Ikonos衛星、QuickBird衛星及后續遙感衛星多采用固定式凸面反射鏡組點光源(圖4、圖5)[10]進行輻射定標，我國更進一步發展了可程控調節方向的點光源反射鏡輻射定標裝置和陣列點光源輻射定標裝置(圖6、圖7)[11]。為了避免太陽光與環境因素的交互影響，也有采用LED自發光裝置在夜間作為點光源進行輻射定標的新思路進行的有益探索。應用實驗表明，點光源輻射定標對于改善輻射分辨率和輻射分辨率評測具有較大的發展前景。

圖4 美國Ikonos衛星采用凸面反射鏡組點光源輻射定標

圖5 美國QuickBird II衛星采用凸面反射鏡組點光源輻射定標

圖6 程控指向的點光源輻射定標裝置

圖7 陣列點光源輻射定標裝置

3 光譜分辨率

3.1 如何描述光譜分辨率？

光譜分辨率(spectral resolution)是傳感器探測并區分電磁波譜的特性參數。根據需要，一般可用三個參數來描述，其一是波段的數量，其二是波段寬度(band width)，其三是每個波段的中心波長。為便于使用和表示，也常采用某個波段的中心波長命名該波段。例如，人眼可感知的可見光波長范圍在400～700 nm之間，在近紅外和熱紅外波段，同樣根據傳感器的用途的差異，進一步細分為若干的波段。在微波遙感系統中，一般用約定的名稱對相應的波段范圍加以區分。

事實上，在光學遙感中，隨著高光譜或超光譜探測器件性能的提升，波段范圍進一步細分，每個波段的寬度從傳統多光譜的幾十個納米(nm)縮小到10 nm甚至5 nm，相應的波段數也達到了100個至1 000個以上。例如，美國EO-1衛星的超光譜傳感器，在400 nm到2 500 nm范圍(即0.4～2.5 μm之間)的波段數達到242個，波段寬度為10 nm。

光譜細分的直接結果，就是對同一個探測區域獲得記錄光譜微小差異的巨大影像集，構成所謂的高(超)光譜影像立方體(圖8)，為區分和辨別地面物質的組分和特性提供了豐富的客觀數據。

圖8 超光譜影像立方體

3.2 光譜分辨率評測方法

評測光譜分辨率，涉及到光譜定標和光譜數據的定量反演兩個主要步驟。

1)光譜定標。光譜定標是為了確定遙感系統各波段的光譜響應函數，包括中心波長和波段寬度。定標工作也分為發射前定標和在軌定標兩個部分。前者主要是在實驗室進行像元的光譜響應度、中心波長、譜段寬度等的絕對定標和相對預定標；后者則是外部參考標準(地面校正實驗場實測光譜和輻射量)與在軌內部定標參考標準(如白熾燈等)進行在軌實時光譜校正。

2)光譜測量數據的定量化反演與比對評測。將光譜探測數據轉換為反射率圖像，是在經過大氣糾正等輻射定標基礎上才能完成的。此時得到的各波段的影像，才能用于光譜數據的定量反演。國際上多采用基于圖像內容統計特征的方法，如平滑糾正法、對數殘差法、平均相對反射率方法等。我國主要采用相對反射率圖像轉換法或稱經驗曲線擬合法，即利用地面同步光譜測量值進行光譜定標，建立相關線性模型，經反演來修正成像光譜影像上獲得的光譜曲線。

成像光譜具有圖譜合一的特點，高光譜立方體影像上任一特定點的光譜特征，可以用擬合的二維光譜曲線直觀地表達。直角坐標系的橫軸坐標表示波長，縱軸坐標表示相應的反射率(圖9)。與地物光譜儀在地面實測的光譜曲線比對，能夠客觀地評判遙感系統光譜測量的真實性和光譜分辨率指標設計的合理性。

圖9 成像光譜恢復的地物光譜曲線

4 時間分辨率

4.1 時間分辨率是否有一致的表達指標？

時間分辨率(temporal resolution)是描述遙感系統對同一地面區域重復獲取遙感影像時間頻度的一項指標。隨著遙感技術的發展，其含義也在變化。大體上，對時間分辨率有三種不盡相同的約定。

第一種定義，也是較常用的描述。同一遙感器按照一定的時間周期重復采集數據，其重復觀測的最小時間間隔稱為時間分辨率，并由衛星平臺的軌道高度、軌道傾角、軌道周期、軌道間隔、偏移系數等參數決定。美國Ikonos、GeoEye衛星經過特殊設計的重訪周期為3 d，就可以按照該時間間隔重復采集數據，可理解為時間分辨率為3 d。不過，其全球均勻覆蓋并不能達到這樣的重訪時間指標。因此，不能認為此種遙感衛星的時間分辨率就是恒定值。例如，法國SPOT 5衛星，軌道高度832 km，軌道傾角98.7°，重復周期為26 d。但該衛星的HRV遙感器具有傾斜觀測能力(傾角±27°)，在26 d的周期內，中緯度地區可以觀測12次，赤道可觀測7次，緯度70°處可觀測28次，因此，SPOT 5衛星的時間分辨率約為1～4 d。

第二種定義。遙感衛星組網觀測的情況下，重復觀測的頻度大大提高，此時多個遙感器探測的時間間隔顯著縮短，由此獲得的時間分辨率是一種遙感衛星組網業務運行模式決定的時間指標。德國RapidEye衛星群由同一軌道面均勻分布的五顆衛星組成，設計的重訪周期為1 d，但同軌地面覆蓋的遙感數據重復采集的間隔約為1 500 s。

第三種定義。視頻成像衛星是一種高動態連續成像的嶄新模式，其獲取影像數據的時間間隔極短，時間分辨率只與視頻成像傳感器凝視觀測的設定有關，衛星飛行參數及組網與否基本無影響。由于視頻影像凝視成像的特殊性，相鄰兩幀影像的成像時間差可控制在1/10～1/30 s之間。

4.2 時間分辨率評測方法

在遙感應用工程中實現重復觀測的方式多種多樣，時間分辨率的內涵不同、尺度跨越的范圍較大，尚難以建立統一的評測標準和技術方法。

評價時間分辨率是否滿足需要，主要取決于應用需求。對于地表變化不大或者變化較慢的區域，時間分辨率并不是一個廣受關注的指標。對于土地覆蓋、道路、建筑物等變化的監測，一個月甚至半年為周期，基本就能滿足需要。在突發自然災害的區域，每天一次至多次的高頻次重復觀測，將為災害應對和救援提供十分寶貴的詳查數據，此時，衛星視頻成像和無人機視頻成像或許能夠發揮更大的作用。在軍事應用方面，時間分辨率是一個十分重要的指標，軍事目標的動態變化意味了特殊的情報價值。對于運動目標的跟蹤監視，視頻觀測將會發揮不可替代的作用。

全球時空地理信息觀測網和區域無人機觀測網的規劃與發展，對時間分辨率的要求越來越高。優化和評測時間分辨率指標，對于提升對地觀測網的投入產出效益至關重要，已成為今后一個時期必須重點研究的問題。

5 姿態分辨率

5.1 為什么要重視姿態分辨率？

姿態分辨率(attitude resolution)是描述遙感系統成像觀測指向角度測量能力的指標，主要由瞬時姿態角的測量精度和角度測量的頻率來表示。所有衛星平臺通常都配置有專門的姿態分系統，用于保持和控制平臺的基本姿態穩定。衛星平臺受外部和內部擾動因素影響，姿態不可避免地會發生變化。外部擾動由大氣(低軌道時)、太陽風、地球重力場引起，內部擾動由衛星自帶燃料液面的晃動、器件發熱、調姿動量輪轉動等因素造成。根據衛星對姿態控制精度的不同需要，對姿態角及其變化率的測量，可分別采用磁力計、太陽敏感器、地球敏感器等低精度測量部件，恒星敏感器(星敏感器)和陀螺(慣性測量單元)等高精度測量部件，或者它們的不同組合來完成[12]。大多數衛星姿態測量的數據經快速處理，直接用于衛星姿態變化的實時控制(調整姿態)。由于姿態控制的實時性要求，姿態測量數據的處理必須極快速地完成。因此，造成了星敏感器的測量頻度不能過高，否則星圖的識別、匹配和誤差處理不能在極短的時間周期同步實現。

對于遙感衛星而言，姿態測量的數據不僅用于衛星姿態的實時控制，還要作為對地觀測成像傳感器的外方位角元素，參與無地面控制點時地面定位的解算。由此，不難理解，遙感衛星特別是立體成像的測繪衛星，對姿態測量的要求遠高于其他各類衛星。

5.2 姿態分辨率定標與評測方法

高精度星敏感器和高精度慣性測量單元的組合，是提高姿態測量分辨率的核心途徑。在600 km的衛星軌道高度，姿態角1″(1角秒)的誤差引起地面點2.9 m(1 σ)的誤差，圓概率30%(CE30，近似為1 σ)計量的平面誤差則為4.1 m。如果按照國際通行圓概率90%(CE90，近似為3 σ)計量的平面誤差則為12.3 m。因此，無地面控制條件下，遙感衛星全球測繪的三維定位絕對精度主要取決姿態測量的精度，確保遙感系統較高的姿態分辨率成為關鍵的技術瓶頸。2016年9月26日發射的美國WorldView-4衛星軌道高度為617 km，地面點平面定位精度為4.5 m(CE90)，由此推算其姿態測量精度必須優于0.36″。公開報道中，WorldView-4標稱的綜合姿態測量精度為0.3″，與此是相符合的。

我國測繪衛星和高分系列衛星[13-14]，早期部分采用德國ASTRON 10星敏感器或國產APS星敏感器等(表1)作為衛星平臺姿態控制的角度測量裝置，同時也作為遙感系統共用的姿態測量數據支持遙感定位。ASTRON 10星敏感器光軸誤差≤5″(3 σ)所代表的姿態測量精度和4 Hz的測量頻率，對于衛星平臺的姿態控制已基本滿足需要。但是，對于無控定位而言，這兩項代表姿態分辨率的指標顯然是比較低的，必須采取其他措施加以改進和補償。

如果不依賴地面控制點，測制1∶10 000和1∶50 000比例尺地形圖的平面位置精度，分別以1 m(3 σ)和5 m(3 σ)的要求簡單計算[15]，在500 km衛星運行軌道，姿態測量的精度應不低于0.41″和2.5″。

ASTRON 10星敏感器基本能滿足1∶50 000測圖要求，但是，由于其輸出頻率只有2 Hz或4 Hz，按照衛星飛行第一宇宙速度7.9 km/s計算，相鄰兩次姿態測量在0.5 s或0.25 s的時間間隔，衛星已飛行3.95 km或1.975 km的距離。在此期間，由于衛星平臺內部擾動造成的“震顫”會改變遙感系統的姿態，必須增加姿態測量的頻率。大量的實驗分析表明，我國現役“高分”遙感衛星平臺的高頻震顫頻率基本上在500 Hz以內[16]。為了提高姿態分辨率，在星敏感器的測量精度和頻率近期難以大幅度改進的情況下，重點是提高慣性測量的頻率，以星敏感器與慣性測量單元的組合及事后的聯合數據處理來改善和補償姿態分辨率的核心指標[17-18]。

6 結束語

本文通過對遙感系統空間分辨率、輻射分辨率、光譜分辨率、時間分辨率和姿態分辨率內涵的分析，進一步明確了各項分辨率指標計量方法的差異，消除了對遙感系統分辨率的一些模糊認識。在我國高分辨率對地觀測系統的研究和建設中，不同專業協同開展衛星遙感系統設計、探討、論證精度指標分配及遙感探測數據的應用方面，將會在規范的專業術語、一致的理解和統一的指標體系下進行溝通和工作。借助于各項分辨率指標，可以概要地、簡潔地描繪出空間遙感系統的能力，甚至簡化地論述對地觀測系統的綜合能力。分析遙感系統的五個分辨率指標，可得出如下結論。

1)地面采樣間隔(GSD)只是名義空間分辨率。經過判讀影像的地面明暗線對數后計算出的地面分辨間隔(GRD)才能反映遙感影像對地面目標的真實分辨能力。

2)輻射分辨率與遙感影像量化等級不存在嚴格意義上的對應關系，只有當輻射定標準確且對輻射測量的信噪比有客觀評估，量化等級及相應的輻射強度數值才能有效地描述傳感器的輻射測量能力。

3)光譜定標和輻射定標關聯性強，經絕對定標和相對定標確定像元的光譜響應度、中心波長和譜段寬度，是涉及光譜分辨率的一項十分復雜的工作，其真實性驗證更加重要。

4)時間分辨率內涵豐富，不易也不宜采用單一的指標表述，需根據遙感任務情況分門別類具體確定。

5)姿態分辨率是決定遙感定位精度的關鍵指標，影響姿態變化的內在機理目前并不十分清晰，仍需進一步發展新的手段，并通過持續的測試和驗證，逐步提升精密姿態測量的能力和水平。