1 概 述

2012年5月18日是王之卓院士逝世10周年纪念日，王之卓院士在1965年的《测绘通报》的“航空摄影测量科学技术的现代发展”一文中写到：“将来人造卫星会为测图人员提供编制或者修订地球上地形图的像片，由于像片的摄影高度很大，影像的解译能力和比例尺将是一个问题。在200英里高空摄影的像片不能够满足大比例尺地图所需的碎步资料，但是对于中小比例尺地图来说，获得的资料还是十分丰富的，这样高速取得的大量测图资料据说将会显著减少现有测图方面的时间和成本”^[1]，科学预测到“将来人造卫星会为测图人员提供编制或修订地球上地形图的像片”^[1]。

2012年是我国民用航天卫星测绘取得重要进展的一年。2012年1月9日北京时间11时17分，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功将我国第一颗高分辨率立体测图卫星“资源三号测绘卫星”送入太空，火箭点火起飞约12min后，西安卫星测控中心传来的数据表明，“资源三号测绘卫星”卫星与火箭分离，成功进入高度约500km、倾角约97.5°的太阳同步轨道，卫星发射取得圆满成功，1月11日上午星上4台相机成功开机，获取了第一批卫星图像。资源三号测绘卫星是我国自主设计和发射的第一颗民用高分辨率立体测图卫星，主要用于1∶50000立体测图及更大比例尺基础地理产品的生产和更新以及开展国土资源调查与监测(http://www.sasmac.cn/)。“资源三号测绘卫星”的成功发射凝聚了测绘人的心血，在总结国外测图卫星的经验基础上，我国资源三号卫星参数决定采用10bit量化，将正视图像的分辨率提高到2.5m，同时加5.8m多光谱图像，以保证地物解译能力，要求全色和多光谱采用相同的幅宽，尽可能保证三线阵相机为无畸变系统的测绘相机。为保证定轨精度，采用星载双频GPS接收机。为保证成像质量选用大卫星平台，并多配备易损器件(主要指陀螺)，以保证卫星有效寿命^[2]。国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心和武汉大学相关科技人员研制了全链路辐射和几何仿真系统，最终提出了资源三号测绘卫星的研制总要求，并对资源三号测绘卫星的研制过程进行全过程监控。资源三号测绘卫星的成功发射，对我国测绘事业的发展具有革命性意义，也是对王之卓院士40多年前的航天测绘梦想和蓝图愿景的实现。

根据我国航天卫星平台的发展和应用经验，资源三号测绘卫星采用我国资源卫星系列使用的大卫星平台，卫星平台的主要参数如表 1所示^[2]。

资源三号测绘卫星上搭载4台光学相机，其中3台全色相机按照前视22°、正视和后视22°设计安装，构成了三线阵立体测图相机；另一台多光谱相机包含红、绿、蓝和红外4个谱段，用于与正视全色影像融合和地物判读与解译。为了保证卫星影像的辐射质量，4台光学相机的影像都是按照10bit进行辐射量化，资源三号测绘卫星4台相机的主要参数见表 2。

资源三号测绘卫星三线阵卫星影像产品的生产主要实现从卫星下传原始数据，在完成数据解扰、解密、解压等工作后，生成商业软件可以接受的影像产品，该产品是对0级产品经辐射校正和传感器校正处理后形成的影像产品，产品带有严密成像几何模型和RPC模型，但未作系统几何纠正，是进行实际测图的标准影像产品(该产品和Worldview-2的basic产品^[3]以及Pleiades 的level 1类似^[4])，产品生产流程如图 1所示。

图 1 资源三号测绘卫星三线阵数据处理流程 Fig. 1 The process flow of ZY-3’s three-line-array data

图选项

资源三号测绘卫星的4台相机都是采用线阵推扫行中心投影的方式获取影像数据，为了保证影像成像时刻的时间同步精度，资源三号测绘卫星在获取图像的同时，相机为成像的每一行影像数据提供了精确的成像时刻，根据该成像时刻可以精确地内插出每一行成像对应的轨道和姿态参数。资源三号测绘卫星的轨道测量包括星上单频GPS测量数据和事后地面处理的双频GPS定轨数据^[5]，轨道测量数据的频率为1Hz。资源三号测绘卫星的姿态测量系统采用星敏感器和和陀螺组合测量的方式^[6]，精确测定卫星平台在J2000坐标系下的惯性姿态，测量频率为4Hz，同时，资源三号测绘卫星也提供原始的星敏和陀螺观测值以及国产星敏的星图下传数据^{[7, 8]}，可以进行事后试验分析和精度验证。根据上述成像过程获取的各类观测数据和几何标定数据，建立资源三号测绘卫星单相机的严密几何成像模型^{[9, 10, 11, 13]}如下

点击浏览公式

对于线阵推扫式影像，基于严密成像几何模型的像点坐标反投影计算需要进行迭代，效率较低^[10]。有理多项式(RPC)模型是目前高分辨率光推扫卫星普遍采用通用几何模型^[12]，能达到与严密成像几何模型同等的精度。RPC模型将地面点的大地坐标(Lat,Lon,h)与其对应的像点坐标(S,L)用比值多项式关联起来，并将地面坐标和影像坐标正则化到-1和1之间。

经过在轨测试分析，资源三号测绘卫星严密成像几何模型转换成RPC模型的拟合精度优于0.15%像元^[13]，因此，资源三号测绘卫星可以使用RPC模型代替严密成像几何模型进行测图和其他应用。

利用地面几何定标场对资源三号测绘卫星定期进行在轨几何检校是提高其影像产品几何质量的关键，也是充分挖掘卫星影像产品后续应用潜力的保证。卫星在轨运行过程中由于各种因素的影响，使得地面测量的各类成像参数不再适用，必须进行在轨检校。

对资源三号测绘卫星在轨成像过程中各类误差特性进行深入分析的基础上，并结合其各类载荷具体的系统设计指标，从严密成像几何模型出发，将待检校参数分为内外定标参数两类，并构建在轨几何检校模型，如式(2)所示

点击浏览公式

经过几何定标后，利用高精度地面控制点(控制点精度优于1 m)检验了不同轨道获取的影像数据，得到的初步分析结果如下表 4所示，卫星系统在稳定工作的情况下，标定后的无地面控制精度优于15 m。

对于几何标定前后选取了河南南阳试验区(如图 2所示)进行了区域网平差^[15]精度分析，在该地区分别获取了外业9个GPS控制点，分别采用定标前后的结果，用不同的控制点和检查点测量的结果如表 5和表 6所示，从表中可以看出，定标后用1到2个控制点会明显提高影像的几何定位精度和高程精度，当采用5个控制点时，由于系统误差可以通过多余的控制点进行补偿，模型的定向精度基本相当。

图 2 河南南阳试验区影像 Fig. 2 Images of Nanyang, Henan experimental plot

图选项

利用大连试验区，进行平差精度分析，在该地区分别获取了外业18个GPS控制点，用不同的控制点和检查点测量的结果如表 7所示，从表中可以看出，4个控制点，14个检查点会明显提高影像的几何定位精度和高程精度，高程精度1.787 m，平面精度达到2.975 m^[13]。

利用河南洛阳试验区进行了DSM自动生产^{[16, 17, 18]}和数字正射影像产品生产检验，用18个检查点检查的结果如图 3和图 4。

图 3 DSM产品(检查点高程误差为2.56 m) Fig. 3 DSM product (check points’ altitude error is 2.56 m)

图选项

图 4 数字正射影像(检查点平面中误差为3.73 m) Fig. 4 DOM product (check points’ plane error is 3.73 m)

图选项

利用大连试验区进行了DSM自动生产和数字正射影像产品生产检验，用14个检查点检查的结果如图 5和图 6^[13]

图 5 DSM产品(高程中误差2.07 m) Fig. 5 DSM product (check points’ altitude error is 2.07 m)

图选项

图 6 数字正射影像(平面中误差2.92 m) Fig. 6 DOM product (check points’ plane error is 2.92 m)

图选项

“资源三号测绘卫星”的成功发射实现了我国民用高分辨率测绘卫星领域零的突破，对我国测绘事业的发展具有革命性意义，是我国卫星测绘发展史上一座新的里程碑。

从2012年1月11日接收第一轨图像开始，经过2个月的在轨运行测试和分析表明，无控制点系统定位精度优于15 m，少量控制点条件下，高程精度优于3 m，平面精度优于4 m，资源三号测绘卫星达到了既定的设计目标，影像的几何定位精度明显优于设计指标，完全满足1∶50 000测图精度需要，达到甚至超过国际同类分辨率卫星 SPOT5、P5 和ALOS的几何质量，并可开拓研究其在1∶25 000甚至1∶10 000困难区测图应用可行性。

致谢：感谢武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室、国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心和中国资源卫星应用中心相关工程和科技工作人员提供的相关研究结果。