高分三号卫星及应用介绍


来源: 航天宏图    时间:2016/09/21

    高分三号卫星是我国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)民用卫星,是高分对地观测系统的重要组成部分。国产遥感软件PIE早在高分三号上天前,便根据其各项成像参数指标,选择国外替代数据进行了全流程处理及应用研究,以期能在数据公开发布的第一时间对其处理和应用完美支持。如今高分三号在各行业的应用已陆续开展,PIE也已参与其中,为让各位同事对高分三号以及PIE的SAR处理能力有个全面的了解,特编写此文。

    本文首先对高分三号卫星的基本情况和载荷的性能指标进行了介绍,进而对高分三号数据的数据处理和行业应用依次进行了介绍,最后列出了PIE软件SAR处理模块的一些基础功能。

    1. 高分三号卫星简介

    高分三号卫星是我国首颗分辨率达到1米的C频段多极化合成孔径雷达(SAR)卫星,于2016年8月发射。高分三号卫星是高分辨率对地观测系统重大专项“形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高精度观测的时空协调、全天候、全天时的对地观测系统”的目标的重要组成部分,能够获取可靠、稳定的高分辨率SAR图像,能够高时效的实现不同应用模式下1米至500米分辨率、10公里至650公里幅宽的微波遥感数据获取,服务于海洋环境监测与权益维护、灾害监测与评估、水利设施监测与水资源评价管理、气象研究及其他多个领域,是我国实施海洋开发、进行陆地资源监测和应急防灾减灾的重要技术支撑,将改善我国民用天基高分辨率SAR数据全部依赖进口的现状,在引领我国民用高分辨率微波遥感卫星应用中起到重要示范作用。

    2. 高分三号卫星指标介绍

    高分三高卫星包括12种成像模式(图1):聚束、超精细条带、精细条带1、精细条带2、标准条带、窄幅扫描、宽幅扫描、全极化条带1、全极化条带2、波成像模式、全球观测成像模式、扩展入射角模式。每种模式有各自的成像指标,高分三号卫星于8月10日成功发射后,15日首次开机成像下传数据,且完成了SAR载荷全部12种成像模式测试工作。


图1 GF-3工作模式示意图(来自高三首发图,高分工程应用中心提供)

    本文将从卫星无控定位精度、方位向和距离向的空间分辨率、成像幅宽、成像模式、成像能力等方面介绍国产高分辨率三号卫星各项性能指标(表1)。


表1 卫星平台与载荷系统指标

    3. 标准及行业应用产品生成

    高分三号卫星数据包括L0-L3级标准产品及L4级行业应用产品,标准产品的生产是高分三号卫星数据应用必不可少的处理步骤,它是生成4级行业应用产品的前提。具体产品生成过程如下:

    (1)L0级产品聚焦处理
    SAR传感器接收的原始信号为RAW数据(L0级),需要利用聚焦算法对其进行成像处理生成斜距单视复数影像(SLC影像,L1级),SLC影像是用户常用的一种数据产品类型。

    (2)L1级辐射定标产品生产
    由于多种误差源的存在,SLC数据存在辐射误差,为能精确反映地物回波特性,需要进行辐射定标处理,将输入信号转化为雷达后向散射系数。

    (3)L1级多视产品生产
    SLC数据为1视复数数据,为提高图像的视觉效果,同时提高对每个像元后向散射的估计精度,需要进行多视处理,即对目标的多个独立样本进行平均叠加。多视处理一方面使影像几何特征更接近地面实际情况,另一方面也在一定程度上降低了斑点噪声(在降低噪声的同时降低了空间分辨率)。

    (4)L1级影像配准产品生产
    采用多个时相数据时,需要进行多时相影像配准。常用的配准方法主要有:相干系数法、最大干涉频谱法、平均波动函数法、基于相位和基于强度的最小二乘法等。

    (5)L1级斑点噪声滤波产品生产
    由于SAR系统是相干系统,相干斑噪声是SAR影像的固有现象。相干斑噪声的存在严重影响了SAR影像的地物可解议性,因此需要进行斑点噪声滤波处理。常用的SAR滤波器通常指空间滤波器,主要有Lee滤波器、Frost滤波器、Kuan滤波器以及Gamma MAP滤波器等。针对多时相数据,还可以采用多通道滤波器或多时相滤波器。

    (6)L1级强度影像产品生产
    强度特征是SAR影像最主要的特征之一,基于SAR强度影像可以提取地物信息,因此需要将SAR复数影像数据转换为SAR强度影像数据。

    (7)L1级极化特征产品生产
    地物电磁特性与电磁波的极化方式有着密切的关系,同一目标在不同的极化方式下会产生不同的回波信号,不同地物对极化的响应能力不同,利用不同极化的电磁波对地物进行观测,能够得到更加丰富的地物信息。全极化SAR不仅可以提供HH、HV、VH和VV四种极化的强度影像,还可以通过目标极化分解得到表征目标散射或几何结构信息的极化特征,进一步增强地物信息提取能力。

    (8)L2级地理编码产品生产
    根据卫星下传的姿轨数据,对L1级图像数据经过几何定位后、地图投影、重采样后的数据产品为L2级地理编码产品。地理编码通常采用基于RD定位模型的几何校正处理方法。L2级地理编码产品通常指地理编码椭球校正(GEC)产品,GEC将地球表面简化为一个椭球面。

    (9)L3级地理编码产品生产
    要很好地应用SAR数据必须在L2级地理编码产品基础上进行几何精校正,生成L3级地理编码产品,即地理编码地形校正(GTC)产品,GTC利用数字高程表面模型作为真实地球表面或利用控制点对定位模型进行参数优化。

    (10)L4级行业应用产品生产
    L4级行业应用产品生产,包括海洋、减灾、水利、气象及其他多个行业应用产品生产等。

    4. 高分三号主要应用

    高分三号SAR数据主要应用于海洋、减灾、水利、气象等行业领域,本文对GF-3数据在各行业应用进行了初步整理(表2)。




    5. PIE遥感软件中的SAR处理模块

    基础SAR处理子模块:星载雷达数据导入、多视处理、辐射定标、基本滤波、斜距转地距、地理编码、复图像转格式;

    (D)InSAR处理子模块:轨道加密、基线估算、基线精华、干涉图生成、干涉图去平、干涉图自适应滤波、相干性计算、相位解缠、高程转换;

    SAR极化基础处理子模块:极化矩阵生成、极化矩阵变换、极化合成、极化定标、极化滤波、基于[S2]矩阵极化分解、基于[C3]/[T3]矩阵极化分解、极化特征RGB彩色显示;
    
    SAR极化分类子模块:H-Alpha分类、H-A-Alpha分类、极化SAR Wishart非监督分类、极化SAR Wishart监督分类、Wishart H-Alpha分类、Wishart H-A-Alpha分类;

    极化干涉SAR应用子模块:极化干涉相干矩阵生成、各极化通道相干性估计、极化干涉相干优化、极化干涉SAR Wishart非监督分类、极化干涉SAR Wishart监督分类、极化干涉SAR树高提取。


    【作者简介】
    刘东升,1984年出生,地图学与地理信息系统专业,北京航天宏图信息技术股份有限公司产品研发总监。多年来带领技术团队研制国产遥感数据处理软件PIE(Pixel Information Expert),并基于PIE软件产品在军民两个领域开展了大量的遥感应用,覆盖气象、海洋、水利、林业、农业、统计、测绘、军事等多个行业。

    北京航天宏图信息技术股份有限公司
(简称“航天宏图”),是一家专业从事卫星(遥感卫星、导航卫星)技术研究与应用的高新技术企业。公司成立于2008年,依托中国航天的雄厚优势,以国产卫星专业服务与行业应用为使命,自主研发PIE(Pixel Information Expert)系列产品,为行业用户提供空间信息应用整体解决方案。

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