标题：天绘一号
简介
2010年8月24日，中国首颗传输型立体测绘卫星天绘一号01星（英文名称“Mapping Satellite-1”）在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功送入预定轨道，实现了中国传输型立体测绘卫星零的突破[1]。2012年5月6日15时10分，中国在酒泉卫星发射中心用“长征二号丁”运载火箭成功发射“天绘一号02星”，卫星升空后顺利进入预定轨道[2]。巧合的是，2012年8月24日，天绘一号02星圆满完成110天的在轨测试任务，和天绘一号01星一起，首次实现测绘卫星的组网运行。双星影像经无缝拼接后，测绘覆盖宽达110公里，极大地提高了测绘效率和几何控制能力，加快了测绘区域影像获取速度。这是中国航天领域的重大突破，对促中国测绘事业具有里程碑意义，标志着中国已全面掌握传输型立体测绘卫星的关键技术，为中国后续航天测绘卫星的发展奠定了坚实基础。 
截至2012年9月底，天绘一号01星已获取全球区域立体影像21万余景，地理影像约8亿平方公里，有效覆盖全球陆地面积已达46%，中国陆地面积约95%。在国防建设的大舞台上，天绘一号精确地理影像数据服务已经开始发挥效能，在上合组织“和平使命”军演、新疆反恐维稳、首都防空、盈江和彝良地震等重大事件应急保障中，天绘成果全面开花。在如火如荼的国民经济建设大潮中，天绘更是大显身手，已经为国土测绘、水利电力、交通运输、城市规划、土地利用、资源普查、灾害监测等部门的90余家用户提供了2万余景、面积达7千万平方公里的各级各类遥感影像数据，广泛应用于土地、农业、林业、矿产、环境。[3]
用途
国土普查、石油勘探、铁路选线、海岸带测绘、地图测制、控制定位、地质调查、电站选址、地震预报、草原及林区普查、历史文物考古等多个领域均有测绘卫星的身影。在农业估产、林业调查、土壤、水文、地质分析、海洋环境监测、城市土地利用、国土资源调查、多种自然灾害监测与评估等方面，测绘卫星同样扮演了重要角色。测绘卫星已经广泛应用于科学研究和工农业生产领域，在多个方面发挥显著作用。
天绘一号卫星可以长期在轨运行并快速获取全球地理空间信息，具备快速甚至实时获取三维地理信息的能力，克服了返回式卫星因受携带的胶片数量限制而在轨寿命较短，获取信息的时效性差，不能直接形成数字影像等不足。它采用（近）圆形太阳同步、回归、全球覆盖轨道，轨道高度约500公里。卫星由有效载荷、卫星公用舱两部分组成，其有效载荷部分包括三线阵测绘相机、多光谱相机、高分辨率相机和数据处理与传输系统。卫星公用舱包括结构和机构、热控、姿轨控、星务管理、测控、供配电等6个部分。[4]​
数据处理
数据概况“天绘一号卫星”的CCD高分辨率三线阵相机地面像元分辨率5.0米，光谱范围0.51μm～0.69μm，相机交会图册(3张)角25°；多光谱相机地面像元分辨率10.0米，范围0.43μm～0.52μm，0.52μm～0.61μm，0.61μm～0.69μm，0.76μm～0.90μm。成像幅宽60公里，轨道高度500公里。天绘一号卫星影像与IKONOS、WorldView等遥感卫星数据一样，提供了有理函数模型所使用的RPC参数作为其摄影测量处理的基础。
试验所使用的数据为两景相邻轨道的天绘一号卫星影像数据，成像时间分别为2011年3月9日和2011年4月22日，数据包括10.0米分辨率多光谱数据、2.0米分辨率高分辨率数据和5.0米分辨率三线阵数据，且成像质量较好（图1）。数据覆盖范围为北纬35.93°～36.59°，东经106.77°～107.98°之间，覆盖范围约6000km2，为陕甘交界（图2）。该区域为黄土高原西北部，属典型的黄土地貌，黄土塬、梁、峁十分发育，地貌破碎，是比较理想的试验数据。[5]​数据处理试验过程中使用自主研发的高分辨率遥感影像一体化测图系统PixelGrid，PixelGrid系统是中国测绘科学研究院研制的一款类似“像素工厂”（ISTAR PixelFactoryTM）的新一代多源航空航天遥感数据一体化高效能处理系统。PixelGrid 系统的5个主要模块之一，即高分辨率光学卫星影像数据处理模块PixelGrid-SAT已经全面实现了对IKONOS、WorldView-I/QuickBird、GeoEye、IRS-P5、SPOT-5 和ALOS/PRISM等卫星影像的摄影测量处理，可以完成上述遥感影像从空中三角测量到相应比例尺的DLG、DEM/DSM、DOM等测绘产品的生产任务。通过开发一个新的“天绘卫星影像预处理及增强”插件，该系统也同时具备了处理天绘一号卫星影像数据的能力。
使用PixelGrid-SAT系统处理天绘一号卫星影像的主要步骤包括：试验区控制数据的准备及量测、稀少控制点影像区域网平差及精度分析、高精度DEM提取及初步分析、正射影像纠正及融合等步骤。[5]​影像定位天绘一号卫星影像数据无控制交叉定位试验
试验中，通过国际上可公开获得的中高分辨率卫星遥感影像数据（ETM+ 15米分辨率纠正影像，UTM坐标系统）和DEM数据（SRTM 90米数据，WGS84坐标系）作为控制参考数据，来模拟试验境外目标区域国产天绘一号卫星遥感数据的交叉定位技术，从而为国产卫星遥感数据的无控制点几何精校正提供技术依据：
（1）首先采用人工量测方法，对比ETM+ 15米分辨率纠正影像量测一定数量的控制点，利用国产天绘一号  图3卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行国产天绘一号卫星2.0米分辨率全色影像数据的定位试验。在使用少于4个控制点定向时，定位精度在25-40米左右，且定向误差有较明显的系统性（主要表现为旋转特性）；在多于4个控制点时，天绘卫星影像的定位精度与量测控制点数量基本无关，可以达到10米左右的相对定位精度，即4-6像素。需注意的是，此时由于天绘一号卫星2.0米分辨率全色影像和作为控制影像的ETM+ 15米分辨率纠正影像之间存在较大的分辨率差异（差7.5倍），因此，同名点量测的精度对定向结果有较大影响。
（2）采用PixelGrid-SAT系统的基于尺度/旋转不变性特征的全自动高精度影像匹配方式，对比ETM+ 15米分辨率纠正影像自动量测一定数量的控制点，利用天绘卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行天绘 5.0米分辨率三线阵影像数据的全自动定位试验，试验结果见图3所示。定位精度可以达到1像素（相对定位中误差），即5米左右的精度。
（3）采用PixelGrid-SAT系统的基于尺度/旋转不变性特征的全自动高精度影像匹配方式，对比ETM+ 15米  图4分辨率纠正影像自动量测一定数量的控制点，利用天绘卫星提供的有理函数模型RFM参数，进行天绘 10米分辨率多光谱影像数据的全自动定位试验，试验结果见图4所示。由此可以看出，利用该方法，两套数据均可自动匹配足够数量且分布比较均匀的控制点，天绘10米分辨率多光谱影像数据的定位精度可以达到0.7个像素（相对定位中误差），即7.0米左右的精度。[6]​影像稀少控制定位中国测绘科学研究院在陕甘区域曾经进行过SPOT-5 HRS稀少控制区域网平差的试验，在该试验区内由陕西省第三测绘工程院于2006年共施测了GPS D级控制点68个，控制点平面坐标采用1980西安坐标系（第18投影带），高程采用1985国家高程基准；其平面精度优于1米，高程（正常高）精度优于1.2米。所测得像控点在试验区内均匀分布，地面间隔在30～50公里左右，且大多位于道路交叉口的中心，易于在影像中精确量测。
但是，由于所获得的天绘一号卫星影像覆盖范围较之SPOT-5来说要小得多，在天绘卫星影像覆盖范围内仅有2个地面控制点，因此，采用了如下方式进行天绘卫星影像的稀少控制区域网平差试验：
（1）利用SPOT-5 HRS进行全区域稀少控制区域网平差，并在所获得的天绘一号卫星影像覆盖范围内由人工量测分布均匀的加密点并计算这些加密点的坐标。在实验中，采所有的68个控制点进行SPOT-5 HRS的区域网平差，SPOT-5 HRS区域网平差精度为：RMSE-X = 3.48米；RMSE-Y = 3.90米；RMSE-Z = 1.40米。
（2）利用第一步获取的加密点进行天绘一号卫星影像的稀少控制区域网平差试验，加密点的分布和区域网平差精度见下表。需指出的是，由于所使用的SPOT-5 HRS和天绘卫星三线阵影像存在很大的时相差异，这些加密点的量测比较困难且精度不高，因此这里仅仅是初步对天绘卫星影像区域网平差的精度做出了评价，在后续工作中需要在试验区内根据天绘卫星影像数据布设并实测一定数量的控制点，以便进行进一步的精度分析。[6]​三线阵影像PixelGrid-SAT系统的DEM/DSM自动提取模块采用了独特的基于多基线（多目视觉）、多重匹配特征的高精度匹试验区局部25米间图册(3张)配算法，且可以在多核心CPU环境下进行分布式并行处理。在试验中，我们使用一台8 CPU核心的普通图形工作站同时匹配2景天绘卫星三线阵立体影像，试验区全区25.0米DEM在试验程序运行约3.7小时后自动生成。在此过程中，充分利用天绘卫星三线阵立体影像的特点，共匹配特征点约3.2千万，特征线数目为近5百万，相当于在原始影像上匹配了一个3×3像素的密集格网，从而有利于25米间隔DEM的生成。由于在算法中将自动匹配的大量特征点、线进行融合并在局部影像范围内进行微细地貌的自动提取及匹配，因此获得的DEM不但很好的表达了成像地区的总体地形，也清晰准确的表达了地形较为破碎地区的微细地貌。试验结果可参见图6。
将自动匹配的DEM换算为影像坐标并在立体显示条件下将其叠加到立体影像对上进行人工目视检查，检查结果显示所提取的DEM与立体影像套合极好，几乎不需要对自动生成的DEM进行人工编辑。由于在试验区参考资料较为缺乏，无法得到该区精确的DEM数据作为精度评定，因此下一步将搜集试验区1：5万DEM数据作为参考进行自动提取DEM的精度分析。[6]​数据结论（1）天绘卫星可提供真正的5.0米分辨率同轨三线阵立体成像，前后视基线高度比约为0.6，且影像质量较好，有利于立体观察和自动影像匹配，但建议采用一定的影像预处理算法对原始影像进行增强处理。
（2）天绘卫星为国产测绘卫星，数据存档情况较好，现势性较好；其中高分辨率影像分辨率为2.0米。有利于进行1：50000数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）的内业采集。
（3）从试验结果可以看出，对于天绘三线阵标准景影像（60×60km2），需要至少4个像控点，且应尽量分布于影像的四角；从初步的试验结果来看，其区域网平差精度应可以满足我国1：50000测图的要求。
（4）天绘一号三线阵影像数据的分辨率较高，因此可以获得更高分辨率的DEM数据（理论上最高可获得25.0米间隔DEM），从天绘卫星影像数据中得到的DEM对地貌细节的表达好，精度高，有利于1：50000 DEM数据的自动采集。[6]​
功能特点
相机天绘一号卫星重约1000公斤，装有5台相机，3台星敏感器，2台测量型GPS接收机，是中国最复杂、功能密度最传输型立体测绘卫星天绘一号 (8张)高的小卫星。既能获取地面像元分辨率优于5米、幅宽60公里的立体影像，建立全球摄影测量控制网，实施控制定位，测制1∶5万比例尺地形图，又能获取蓝、绿、红、近红外4谱段多光谱影像，定量反演地物的物理属性，提高地图测制的完整性。同时，通过多光谱影像与全色影像的融合处理，可以生成彩色或假彩色正射影像产品。还可以获取2米分辨率全色地物影像，增强对地物目标的详细、快速、准确判读能力，配合完成1∶5万比例尺地形图测制和1∶2.5万比例尺地形图的修测。 
测绘体制新天绘一号卫星采用基于中国摄影测量专家发明的线面阵混合的LMCCD测绘体制、以三线阵、三视角摄影为主，辅以小面阵成像，巧妙解决了三线阵测绘相机动态摄影测量中的航线立体模型扭曲、高程精度差问题，解决了传输型光学摄影测量卫星难以实现无地面控制点的高精度摄影测量的问题。卫星摄影测量基高比为1，是国际同类摄影测量系统中基高比最大的系统之一，为提高定位精度，特别是高程精度奠定了基础。
利用天绘一号卫星高分辨率全色影像和多光谱影像，经融合处理可生成彩色正射影像，加入来自三线阵测绘相机的高程信息，可制作彩色立体影像；利用天绘一号卫星高分辨率全色和多光谱数据，经融合处理后，使多光谱影像信息的应用更加精细、广阔；利用多光谱信息可绘制森林矿产资源分布图，还可以通过林木的光谱反射率特征定量反演林木的叶面积指数、叶绿素含量、氮含量和冠层高度等信息，完成树种识别、树林健康状态监视和林地类型的分类等。[7]　精度天绘一号卫星集成5台成像宽度均为60公里的相机。
天绘一号卫星的光学有效载荷由中科院长春光机所独家研制，各光学相机获取的影像清晰，层次分明。其光学有效载荷包括两个独立分系统，测绘相机分系统和高分辨率相机分系统。
天绘一号卫星的测绘相机分系统包括三线阵LMCCD立体测绘相机、三台高精度星敏感器和四谱段多光谱相机。立体测绘相机是正视相机、前视相机和后视相机的统称，其连续推扫的影像可以构建5米分辨率的立体测量模型，其中正视相机焦面上还装有4个小面阵CCD，用于提高无地面控制条件下的测绘定位精度。测绘相机采用像方远心的亚对称光学系统，光学系统成像质量好。镜头前端设计有碳纤维复合材料遮光罩，用于消除相机对地成像时进入镜头内部的杂散光，也有利于减轻相机质量。相机共应用了线阵、面阵、TDICCD传感器共计16片，是我国光学有效载荷图像传感器最多的。
在这个共计5台独立光学载荷构建的测绘相机组合体中，正视相机、前视相机和后视相机互成角度装入测绘基座安装孔内，多光谱相机安装在测绘基座正视相机底部的安装腔内，3个星敏感器分别安装在星敏支架顶部斜面上，通过星敏支架安装到测绘基座顶部，有效保证了测绘相机的内部几何关系。三线阵CCD立体测绘相机相互几何位置关系的稳定性是保证相机在轨工作的前提条件，因此，构建测绘相机的支撑结构——测绘基座的结构形式和几何稳定性是三线阵CCD立体测绘相机研制工作中的关键环节之一。
天绘一号卫星的高分辨率相机具有分辨率高、覆盖范围宽、寿命长等特点，与三线阵CCD立体测绘相机相结合，可对同一地区进行高分辨率影像获取，增强地物的详细测绘和修测能力，提高卫星的整体应用价值。
为保证相机的内部几何精度，在国内首次研制采用了0.5秒转台和大口径长焦距平行光管，对相机内方位元素和相机间坐标系关系进行了精密几何标定，为测绘应用提供高精度的摄影测量参数。
天绘一号卫星开创了小卫星搭载光学相机数量多和重量轻的先河，为国家节省了大量研制经费。[8]​
地面应用系统
概述地面应用系统是天绘一号卫星系统工程的重要组成部分，是发挥卫星应用效能的主要环节。其主要功能是完成卫星摄影任务规划和卫星有效载荷运行管理；接收卫星下传数据；对卫星下传数据进行预处理，生成卫星影像产品；完成数据的存储、管理和分发；进行卫星摄影系统主要参数检测和影像特性的标定；进行应急测绘保障处理，生成应急测绘保障产品；完成卫星影像的平差定位；测制1∶5万比例尺数字地形图、数字高程模型数字和正射影像地图；修测1∶2.5万比例尺数字地形图。 
如果说测绘相机是天绘一号的“眼睛”，那么地面应用系统就是天绘一号的“双手”和“大脑”。
天绘一号卫星地面应用系统可分为任务规划、数据接收、数据预处理、数据管理服务、摄影参数与影像特性检测、定位与测图以及应急测绘保障等7个系统。　主要特点新技术的密集运用与集成从系统设计到功能系统研制，集成运用了多层分布式应用系统框架技术，规范化、标准化的组件模型设计技术，多站接收的集中调度和监控技术，海量遥感数据的经济高效存储管理技术，大数据量的快速共享与交换技术，基于网络的高效无缝测图技术，基于等效光束法的摄影测量参数检测与高精度控制定位技术等大量新技术和新方法，大大提高了系统的先进性。
整体性与可扩展性相结合系统从摄影任务规划、数据接收到后期数据处理，是一个完整的闭合链路。系统采用宽松耦合、模块化独立的设计理念，以任务规划系统作为任务流中心，以数据管理服务系统作为数据信息中心，联系各功能系统完成任务调度和数据的管理，各功能系统则独立进行本系统的任务处理和系统维护，相互间耦合关联程度较低，整个系统功能拓展能力、维护能力、稳定运行能力强。
影像产品的多样化系统具备对各种分辨率影像进行0－3级影像产品生产能力；具备数字地形图、正射影像图、数字高程模型等测绘产品的生产能力；具备各类应急测绘产品生产能力。产品种类非常齐全，满足了各类用户的使用要求。
高精度定位与测图采用具有自主知识产权、创新提出的基于线阵与面阵混合配置LMCCD相机，并研发了等效框幅（EFP）多功能光束法平差理论与计算软件，有效地解决了线阵影像空中三角测量航线模型扭曲变形问题，使无地面控制点定位和测制1∶5万地形图的精度达到了工程指标。突破了航天摄影测量在实际生产应用中的技术瓶颈，为我国航天摄影测量的实际应用奠定了基础。
数据信息可视化服务在基于三维地球的遥感影像展示平台上，叠加显示天绘一号卫星影像产品与缩略图数据、矢量、DEM、标绘符号等信息，用户通过显示环境与数据服务系统进行实时交互，可根据实际情况进行产品可视化订制，提高服务效率。
天绘一号卫星地面应用系统已具备了规模化生产的能力，生产了多类卫星影像产品和地理信息产品，生产的多种卫星影像产品和地理空间信息产品，已向包括中国资源卫星中心、国土资源部、国家林业局、长江水利委员会等90余家单位提供了影像和测绘保障，为国防和国民经济建设发展做出了突出贡献。[9]​
展望未来
中国首颗传输型立体测绘卫星——天绘一号中国航天测绘应用进入了全新的发展阶段。
21世纪的下一个10年里，中国还将陆续发射一系列测绘用途的卫星，以满足地形图测绘与更新以及各行业部门对卫星遥感影像的需求，天绘将重点发展两类测绘卫星系统。一类测地形地貌，主要获取各种分辨率的高精度地形地貌信息；一类测地球物理场，构建全球重力场和磁力场模型，建立重力基准和磁力基准。
在未来，天绘全天候、全天时、全要素、多分辨率天基对地探测网络初步建成。陆地上的任何细节都逃不过天绘的“眼睛”，天绘将在科学研究、国土资源普查、地图测绘等诸多领域大显神通，对国民经济社会的发展必将起到巨大的推动作用。[10]​
在今后的10至15年内，我国还将考虑陆续发射一系列测绘用途的卫星,以满足地形图测绘与更新以及各行业部门对卫星遥感影像的需求。根据国际卫星遥感技术的发展趋势和国内的实际需求与现有技术水平，到2020年将建立起我国长期、稳定、连续运行的自主服务和应用的测绘卫星体系，作为国家空间信息基础设施的重要组成部分。这一测绘卫星系列主要包括：高分辨率光学立体测图卫星；干涉雷达卫星；激光测高卫星；重力卫星；导航定位卫星 。该星获取的遥感信息和试验结果，将对我国科学研究和国民经济建设起到积极促进作用。
相关背景
2005年6月20日，经国防科工委同意，国家测绘局组织召开“高分辨率立体测图卫星需求与使用要求论  “天绘一号01星”证会”，12位专家、23个部门64代表人出席了会议。会议认为：国家测绘局提出的对高分辨率立体测图卫星的迫切需求符合民用航天“十一五”规划思路；提出的测绘部门和其他有关部门对高分辨率立体测图卫星的需求分析报告，分析准确，实事求是；提出的高分辨率立体测图卫星的空间分辨率、精度、传感器的选型和星上参数等主要技术指标，综合考虑了用户需求和卫星研制的技术能力，基本满足使用要求，具备可行性。
2005年6月30日，国防科工委组织召开“民用高分辨率立体测图卫星工程立项综合论证启动工作会议”，明  天绘一号卫星准备发射确了开展工程立项综合论证的要求。按照要求，国家测绘局牵头组织了包括卫星、运载火箭、发射场、测控、地面、应用等六大系统的工程立项综合论证报告的编写工作，并完成了大系统立项综合论证报告、用户需求分析和使用要求、应用系统可行性论证报告的编写工作，参与了地面系统可行性论证报告的编写工作。8月25日，国防科工委组织召开高分辨率立体测图卫星大总体讨论会。会议认为，高分辨率立体测图卫星用户需求迫切，技术基本可行，可以进入立项程序。
组网运行
  “天绘一号”成功发射升空[11]中国首颗传输型立体测绘卫星“天绘一号”正式组网运行，这是继2010年8月24日天绘一号01星成功发射、实现传输型立体测绘卫星零的突破后又一次巨大飞跃。
首次实现中国测绘卫星组网运行的天绘一号01星和02星，双星影像经无缝拼接后，可极大地提高测绘效能和几何控制能力，加快测绘区域影像获取速度，提高信息时效性，这是我国航天领域的重大突破，对促进我国测绘事业发展具有里程碑意义，标志着我国已全面掌握传输型立体测绘卫星的关键技术。
天绘一号是中国第一个拥有完全自主产权和国产化的新一代传输型立体测绘卫星，代表了测绘领域的先进技术水平，并创下了多项之最：一是中国有效载荷比最高的高分辨率遥感卫星，搭载了线面混合三线阵等先进相机系统；二是中国相关条件下几何定位精度最高的测绘卫星，所获数据经过两年大规模生产试验和专项检测，其几何定位精度均达到高水准；三是拥有中国第一个完全自主产权和国产化的集数据接收、运控管理、产品生产与应用服务为一体的完整高效测绘应用系统。
天绘一号卫星系统已生产多种卫星影像产品和地理信息产品，并向包括中国资源卫星中心、国土资源部、国家林业局等数十家单位提供了影像和测绘保障，在国民经济建设中发挥了重要作用。