1 资源三号卫星总体情况

资源三号卫星是我国高分辨率光学传输型立体测图卫星，卫星采用三线阵测绘方式，由具有良好交会角的前视、正视和后视相机通过对同一地面点不同视角的观测，形成立体影像，同时配以精确的内外方位元素参数，准确获取影像的三维地面坐标。文献[1—3]指出，资源三号卫星影像可用于生产1:5万测绘产品，以及开展1:2.5万及更大比例尺地形图的修测与地理信息更新，并应用于国土资源调查和监测等诸多行业。

国家测绘地理信息局和中国航天科技集团，从2003年年底开始联合成立论证组，在测绘遥感和地理信息多位院士和专家的大力支持下，对我国1:5万立体测图卫星需求的必要性和可行性进行了分析和论证。2008年3月，国务院正式批准资源三号卫星工程立项。2012年1月9日，资源三号01星在太原卫星发射中心成功发射，7月30日，卫星完成在轨交付。

资源三号卫星采用太阳同步圆轨道，设计轨道高度为505 km，可对地球南北纬84°以内的地区实现无缝影像覆盖，每59天完成对我国领土和全球范围的一次影像覆盖。卫星采用三线阵测绘方式，前视和后视相机的影像地面分辨率为3.6 m，正视相机分辨率设计指标优于2.1 m，基高比0.89。多光谱相机包括红、绿、蓝、近红外4个谱段，分辨率为5.8 m。姿态主要由3台星敏感器、高精度陀螺、太阳敏感器和红外敏感器控制，姿态稳定度优于5×10^-4°/s。卫星定轨采用双频GPS，在轨定位精度设计优于10 m，测速精度优于0.2 m/s。此外，卫星安装了卫星激光测距设备，以进行GPS轨道精度的验证及应急条件下的卫星定轨。在卫星定姿方面，文献[4—5]采用资源三号搭载的高精度星敏感器和陀螺组件测量的原始数据进行事后姿态处理，使姿态精度更好地满足测图精度要求。

卫星工程由卫星系统、运载系统、发射场系统、测控系统、地面系统和应用系统6大系统组成。卫星由中国航天科技集团公司五院负责总体研制；国家测绘地理信息局负责完成卫星研制总要求及应用系统建设，并负责卫星大总体技术指标的实现。经过8年的技术攻关，工程全面突破了国产卫星1:5万立体测图技术，建立了自主卫星的1:5万立体测图技术体系。在轨测试表明，资源三号卫星在稀少控制点条件下，影像平面精度优于3 m，高程精度优于2 m，全面超过了1:5万立体测图卫星设计指标，并可用于1:2.5万测图。文献[6—12]指出，在无控制点条件下，影像平面精度优于10 m，高程精度优于5 m；影像直接定位精度从900 m提高到10 m；卫星多光谱影像配准精度达到0.15像素；卫星影像的总体精度指标优于法国SPOT 5、日本ALOS等国外同类产品，总体影像质量优于国外同类卫星。

2016年5月30日，资源三号02星在太原卫星发射中心成功发射。02星继承了01星的技术状态，并进行了适当改进，将前后视的分辨率从3.6 m提高到2.6 m，将多光谱相机的安装和正视相机调整成同一个角度。2016年7月，卫星顺利完成在轨交付，卫星的测图精度与01星总体一致，DSM的格网大小可以提高到10 m。

到2016年底，资源三号卫星已向测绘、国土、水利、地矿、林业等行业的2000多家单位提供影像产品57万余景，面积累计超过3亿km²，为基础测绘、国土资源、林业调查、水利建设、农业调查、城市建设、生态环境等提供了有效保障，产品已推广到澳大利亚、德国、巴西等30多个国家和地区，在国际上产生巨大反响。

2 关键技术实现

资源三号卫星的关键是实现了1:5万立体测图，主要内容包括卫星定轨^[13-15]、辐射处理、姿态处理、几何检校、成像模型建立，02星还包括激光测高的数据处理。本文主要总结5年来资源三号卫星辐射和几何精度情况。

2.1 辐射标定技术

资源三号卫星传感器在发射前进行了实验室定标，但卫星传感器受发射时的振动、在轨空间环境变化和元器件老化等因素的影响，其辐射性能指标(如探测灵敏度)会发生变化，这些衰减直接影响卫星遥感数据的精度、可靠性和应用水平。文献[16—18]指出开展资源三号卫星传感器在轨绝对辐射定标工作，是对卫星传感器实验室定标的补充和检验，满足遥感数据定量化要求。

资源三号卫星在轨绝对辐射定标采用的是反射率基法^[19-21]实际技术流程如图 1所示，辐射靶标布设情况如图 2所示。当卫星在辐射定标场地上空过境时，同步测量地面靶标的光谱反射率，并获取空中、地面及大气环境数据，计算大气消光系数，计算大气中水和臭氧含量，分析光谱反射率数据、卫星成像时的几何参量和时间，将获取和计算的各种参数代入大气辐射传输模型，求取卫星载荷入瞳处辐射亮度，计算定标系数，进行误差分析。为了保证资源三号卫星的外场绝对辐射定标系数精度，进一步分析了试验过程中各种因素对定标系数的影响及不确定度，并利用试验测量数据对资源三号卫星外场绝对辐射定标系数进行精度验证，验证结果显示，资源三号卫星各个相机各谱段的绝对辐射定标精度均优于7%。

从2012年卫星发射到2016年底，卫星测绘应用中心每年都组织开展2~3次卫星在轨绝对辐射定标试验，利用不同的试验场(内蒙古包头、黑龙江肇东、甘肃敦煌等)对卫星进行场地辐射定标，试验结果见表 1，得到定标结果与发射前定标很接近，定标误差小于5%。资源三号01星发射后5年来，一直很稳定，仪器和试验结果都保持很好的稳定性。

2.2 事后姿态处理

星敏感器和陀螺组合定姿是当前测绘遥感卫星主要的姿态测量方式。由于受实时性和稳定性的要求，星上定姿往往采用较为简单可靠的融合处理算法，姿态测量精度有限，直接影响卫星几何定位精度。笔者提出了一种基于前-后向无迹卡尔曼滤波(UKF)的事后定姿方法^[22]，利用卫星下传的星敏感器/陀螺原始测量数据进行事后定姿，从而获取更高精度的姿态数据。该方法是以UKF为基础，将陀螺漂移误差和星敏感器四元数改正量作为状态量，构建扩展卡尔曼滤波估计，对累积一段时间的原始星敏感器/陀螺数据分别进行前向滤波和后向滤波，然后以两者协方差为权值进行平滑滤波，通过多次迭代获取事后定姿结果。其方法如图 3所示。选取有地面控制数据的第785轨原始姿态进行事后定姿，结果如图 4所示。事后姿态与星上姿态差值如图 5所示。

利用22个地面检查点对星上和事后姿态的无控制几何定位精度进行评价，结果见表 2。

从表 2中可以看出，与基于星上姿态的几何定位结果相比，利用事后姿态地面定位的平面和高程精度有较大提升，其中平面精度提高1~2 m，高程精度提高3 m左右。

2.3 几何检校

文献[23—25]指出卫星影像在获取过程中，成像过程不可避免地存在几何畸变。本文把图像与理想情况的不一致定义为畸变，通过数学模型描述来消除畸变的影响。资源三号数据处理时，建立了内畸变模型和外畸变模型。内畸变是指线推扫式影像行方向上线中心投影的像方畸变，包括相机设计造成的CCD畸变和镜头畸变两部分；外畸变是线推扫式影像行方向上中心投影的物方畸变和列方向上近似平行投影的畸变，包括积分时间跳变、卫星轨道姿态测量不准确、卫星平台的抖动等。资源三号通过在轨几何标定获取模型参数用于后续处理，进而实现畸变影响的消除^[26-30]。

文献[31—33]设计了在轨几何检校方法，利用相位相关的配准算法对资源三号影像和高精度DOM/DEM进行配准，获取的高精度密集控制点，结合人工标志控制点，求解内外检校模型参数。图 6是资源三号01星2016年3月在河南安阳的检校结果。控制数据为航空影像制作的1:1000 DOM/DEM，通过匹配获得了20 384个控制点，经过内外检校后，沿CCD方向残差为0.21像素，垂直CCD方向残差为0.28像素。图 6(a)表明了资源三号01星正视相机主要存在焦距误差和CCD安装误差。图 6(a)、(b)的对比可知，资源三号的内检校有效消除了CCD线阵内几何精度不一致。

表 3为资源三号在轨几何检校概略结果表，时间跨度从2012年至2016年，每年1~2次的试验结果表明在轨几何检校能够有效消除系统误差，影像内部精度稳定。沿CCD方向、垂直轨道方向检校残差基本在0.3像素之内，最大值不超过0.5像素，完全满足后续应用处理需要。从定标前的初始定位偏差来看，卫星轨道姿态测量系统稳定，仅在2015年年底出现近百像素的系统偏差，主要是由于卫星能源系统重启，导致初始定位偏差大，经在轨标定后消除影响。

2.4 影像产品成像模型构建

精确构建各类畸变且模型简单的成像模型是保证高精度后处理的基础。资源三号卫星搭载的相机将多片CCD在焦面上排列获得更大的探测器线阵的总有效长度，实际上各片CCD不是严格的在一条直线上。在处理资源三号数据时，采用了文献[34—36]设计的基于虚拟CCD的内视场拼接技术。基于真实CCD的指向构建的虚拟CCD线阵是一条假设在焦平面上的连续CCD线阵，它与多谱段多片真实CCD具有相同的焦距和主点，实现理想中心投影与多谱段影像配准谱段的影像产品生成。根据真实几何标定获得的CCD上各CCD探元的位置及指向角、精密定轨、精密定姿、成像时间，可以得到各探元摄影光线的像方几何关系，进而构建出真实CCD与地面点之间的成像几何模型；同样，根据虚拟CCD的设计位置，按照无畸变的线中心投影成像结合滤波改正后的轨道、姿态、时间等数据，可以得到虚拟CCD与物方地面点间的成像几何模型，由此构建了由虚拟CCD线阵获得的完整影像与原始CCD获得的条带影像间的像点坐标对应关系，并通过灰度重采样生成拼接影像，并构建高精度RFM模型用于后续处理。

资源三号卫星处理时基于真实测量的轨道姿态数据构建平滑的严密成像几何模型，卫星轨道采用五次多项式模型，姿态采用二次多项式模型。资源三号产品数据利用RFM模型替代平滑的严密几何模型，采用400×400像素的像面格网，高程分层为15，求解分母不相等的三阶RFM模型参数。表 4是资源三号01星2016年8月3日获取的天津数据的计算结果。表 4表明，资源三号卫星正视的RFM模型替代平滑的严密几何模型的精度优于0.000 5像素，前视和后视优于0.001 5像素，满足摄影测量生产的需求^[37-38]。

2.5 激光测高技术

我国在资源三号02星上首次搭载了一台用于对地观测的试验性载荷—激光测高仪。由于卫星发射时的振动及入轨后空间环境变化等因素影响，激光测高仪的指向、测距等系统参数相对于发射前地面测量值将发生变化，从而引起激光的平面和高程误差。笔者根据资源三号02星激光测高仪特点，提出了一种基于地面探测器的在轨几何检校方法，构建了以指向、测距为系统误差的严密几何检校模型，以激光测距值残差最小为原则，利用地面探测器捕获的激光光斑位置作为参考，实现系统误差参数高精度在轨几何检校。利用卫星在轨测试期间多个试验场数据进行检校后，以有关DEM数据作为地面参考比对，在地形坡度小于2°区域内的激光点高程精度由检校前的100~140 m提高到1~2 m。利用平坦区域激光足印内少量GPS外业控制点进行验证对比，检校后激光高程测量的绝对精度优于1 m。试验表明了资源三号02星激光测高仪测距的有效性和正确性^[39-40]。

表 5是激光测高仪在轨检校的部分结果。2016年8月，采用3个检校场获取的激光足印中心坐标作为地面控制，先采用单检校场独立及多检校场联合等不同组合方式对资源三号02星激光测高仪系统参数进行标定，再利用3个检校场数据对检校结果进行外推验证，从而反映参数的检校精度。

从表 5可以看出，利用3个检校场数据进行联合检校后进行验证，激光光斑平面精度优于20 m，高程精度优于0.9 m。

3 数据处理和应用服务 3.1 数据处理

截至2016年12月31日，共获取和处理原始数据8777轨，影像数据221万景，中国陆地国土面积和全球陆地面积有效覆盖分别为99.37%和53.8%。各年度数据获取情况见表 6，各大洲数据获取情况如图 7所示，有效覆盖情况如图 8所示。

3.2 应用服务

持续获取的卫星数据经应用系统处理成各类影像产品，极大地丰富了我国自主高分辨率卫星影像数据源，一定程度上满足了国内外众多领域的旺盛需求。随着应用系统自动化、规模化、业务化、网络化生产能力的进一步提升，资源三号数据得到了更加深入和广泛的应用。

资源三号卫星全面保障各级基础测绘生产任务和重大测绘工程建设。自2012年资源三号01星成功发射后，资源三号卫星每年面向地理国情监测、国家基础地理信息数据库动态更新、“天地图”平台建设等重大测绘任务提供覆盖国内90%以上国土陆地面积的影像数据，4D产品的更新周期缩短了1/3，基础地理信息更新能力提高2倍以上，大幅度提高了我国遥感影像产品和测绘成果的现势性。同时，极大地降低了测绘生产成本，提升了我国测绘保障服务的快速响应能力，还使得开展全球地理信息资源建设成为可能。资源三号卫星影像连续5年在国家重大测绘工程中发挥了核心数据源的作用，已经成为各大测绘生产任务最为主要的数据源支撑和保障。

除了在测绘地理信息行业的广泛应用，资源三号卫星向国土、地矿、森林、水利、农业、环境、海洋、民政、审计、位置服务等领域提供了多元化、增值性的应用服务。在国土行业，大力支撑了多星、大区域、高频率国土资源调查、监测与“一张图”核心数据库更新等重要工作的开展；地矿行业数十家单位利用资源三号卫星正射影像和数字地表模型开展地质调查、物探找矿、环境监测、矿山监测等工作；连续多年为水利部门提供长江、黄河、海河等7大流域的高精度正射影像数据，以及覆盖全国的公开级正射影像成果，为未来大区域、高频率水资源管理、水利建设、防汛抗旱、水政执法、水利安全生产等提供快速、直观、准确的数据；持续为国家林业局调查规划设计院提供了全国范围的资源三号卫星正射影像生产服务，为林业部门开展全国林业应对气候变化碳汇计量和监测体系建设、境外森林资源调查等业务提供支撑。

利用资源三号卫星全球地表数据获取能力，推进与各国政府部门之间的合作共享，已面向全球60多个国家和地区提供资源三号卫星影像数据和服务(见表 7)。依托资源三号卫星影像云服务平台国际化服务网络，先后与肯尼亚非洲区域发展资源测绘中心、乌干达国家公路局、泰国地理信息与空间技术发展局、老挝测绘局、哈萨克斯坦地理研究所、诺丁汉大学、维也纳大学等国家相关机构签订了合作备忘录，初步开展了卫星影像应用服务，进一步提升了我国测绘卫星的国际影响力；根据“走出去”战略部署，先后向以色列、埃及、肯尼亚、尼泊尔、斯里兰卡等国的测绘地理信息部门提供影像数据，并与多个国家建立了进一步的合作共享关系，提升了我国在全球对地观测系统中的话语权；先后向联合国全球地理信息管理专家委员会提供了日本、韩国、蒙古及加勒比地区12个国家的资源三号卫星影像，体现了我国作为联合国成员的责任与义务；逐步与巴西、英国、德国、澳大利亚、墨西哥等国家的遥感服务商建立初步的合作关系，在多个领域开展了国产卫星影像商业化应用模式的探索。

4 前景展望

资源三号01星已经运行5年，02星已经在轨9个月，圆满完成了工程预期目标，全面实现了1:5万立体测图的要求，为国家提供了大量卫星影像和地理信息产品。截至2016年底，资源三号卫星已经向国内外2000多个用户提供影像57万余景，覆盖面积超过3亿km²。资源三号卫星打破了国外对我国的技术封锁和数据垄断，突破了困扰我国高分辨率遥感数据长期依赖进口的瓶颈，实现了国产遥感卫星从“有”到“好用”、从示范应用到业务化运行的根本性转变，开创了自主航天测绘的新纪元，是我国航天和测绘事业的重要里程碑，也是我国测绘行业技术进步的划时代标志。

资源三号01星已经超过了卫星设计寿命，03星立项在即，将接替01星，与02星组成星座，获取全球高分辨率三线阵卫星影像，为全球地理信息资源建设、新型基础测绘、天地图及相关行业应用提供更多更好的立体影像和地理信息产品。优于米级分辨率的双线阵测绘卫星高分七号已经立项，将重点突破1:1万立体测图关键技术。陆地生态系统碳卫星、雷达差分干涉SAR卫星等科研卫星已经立项，将为全球高程控制点数据库建设、全球高程模型建设、地面沉降监测及应急测绘等工作提供新型技术手段。展望未来，我国的卫星测绘将蓬勃发展，前景广阔。

致谢: 特别感谢谢俊峰、周平、李国元、孙承志、高小明、唐洪钊等对本文所作的贡献。