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如何评估卫星遥感系统的效能?
发布时间:2021-12-01     来源:《感知地球——卫星遥感知识问答》(中国宇航出版社出版)     作者:满益云、时红伟      浏览:5313

卫星遥感系统由数据获取系统(包括在轨遥感卫星以及地面系统)和应用系统组成(如图1所示),在轨的遥感卫星发回载有数据的调制信号,经过地面系统的解调和处理之后输出数据产品,应用系统经过遥感信息提取模型反演得到遥感应用信息产品。


图1 卫星遥感系统组成示意图

卫星遥感系统的效能目前没有统一的标准,一般定义为对达到一组特定遥感任务目标的满足程度,通常由卫星遥感系统的输出,即遥感应用信息产品满足任务目标的程度来综合表征。遥感系统的效能与遥感卫星本身的性能有关,同时也与地面系统和应用系统的性能等息息相关。系统性能通常与系统效能密切相关(如图2所示),二者既有一定的联系,又有一定的区别。系统性能反映的是卫星遥感系统自身的特性和能力,通常可以由一组性能指标来综合表征;而系统效能则反映卫星遥感系统在一定条件下完成任务目标的程度,不同类型的卫星遥感系统支持不同领域的使命,同样类型的卫星遥感系统对不同任务目标的满足程度有高有低,一般可以根据任务目标关注点的不同,有针对性地选用某些性能指标作为影响效能评估的主要因素。


图2 卫星遥感系统效能和性能之间的关系示意图

通常用很多种不同的指标来表征卫星遥感系统的性能,不同类型的卫星遥感系统有较大的差别。以美国数字全球公司提出的A3C性能模型为例,高分辨率光学卫星遥感系统的性能由精度(Accuracy)、时效性(Currency)、完备性(Completeness)和一致性(Consistency)等要素来综合表征(如图3所示)。精度指的是在一定条件下测量值与真实值相比较的准确程度,精度高指的是系统误差和随机误差都比较小。系统误差表征的是多次重复测量的平均值偏离真实值的大小,而随机误差表征的则是多次重复测量的分布情况和彼此相符合的程度。卫星遥感系统的精度通常分为几何精度和辐射精度。几何精度是判定目标位置与实际位置之间的偏差,一般分为无控制点(系统级几何校正)和有控制点(使用控制点进行几何精校正)处理的定位精度。辐射精度是通过模型反演得到的目标/地物的光谱反射和辐射值与真实量值之间的偏差。遥感应用信息产品的精度除了与信息反演的模型精度有关外,还与其输入的数据产品质量和卫星几何/辐射定标精度等有关。以资源三号卫星遥感系统为例,除了与高精度的高程信息反演模型有关外,还与前视、中视和后视三线阵遥感器数据的质量、卫星姿态和轨道的测量精度以及卫星内外方位元素的标定精度等密切相关。


图3 卫星遥感系统性能的表征要素示意图

时效性指的是一定时间范围内,由用户任务请求到获得满足用户要求的信息产品的及时性,包括持续的时间与更新的周期,是评估卫星遥感系统动态监测能力和在多时相分析中应用价值的重要指标。卫星遥感系统的时效性与任务指令上注,卫星数据获取,地面数据接收、处理和分发,信息提取与反演等有关。根据动态信息变化的周期快慢,时间分辨率可分为5种类型:超短期的,以分钟或小时计;短期的,以日计;中期的,以月或季度计;长期的,以年计;超长期的,数十年以上,从用户任务请求到获取信息产品,卫星数据获取的时间间隔相对较长。对于地球同步轨道卫星而言,由于可以持续对特定区域重复观测,单颗卫星的时间分辨率很高,可以达到优于分钟级。对于低轨道卫星而言,受轨道运动的影响,单颗卫星对特定区域的重复观测时间相对较长,一般在数天级。为表征遥感卫星时间分辨率的高低,通常还用卫星重访和覆盖时间来衡量。重访时间指的是卫星连续两次对同一目标获取数据的最小时间间隔,覆盖时间指的是对特定区域全面覆盖获得有效数据的最小时间间隔。通过增大遥感器的幅宽和卫星平台轨道机动及姿态敏捷能力,进行科学的任务调度与任务规划,能够有效提高单颗卫星重访和覆盖的速度。多颗卫星组网形成星座,可以进一步提高卫星遥感系统的时间分辨率。

完备性指的是满足特定任务所需空间、光谱、辐射等的覆盖范围及尺度细分的程度。不同的任务目标对完备性的要求有所不同,通常要综合考虑范围和分辨率等最基本的要求。在空间尺度上,需要有足够的有效覆盖区域面积,也要有足够高的空间分辨率。空间分辨率也叫地面分辨率,是指遥感图像上能区分的两相邻目标之间的最小角度间隔或线性间隔。对于采样式成像系统,通常用地面采样距离来表征,指的是单个像元或与探测器单元对应的最小地面尺寸,也称像元分辨率(GSD)。空间分辨率越高,能够分辨的空间细节越好。通常可以分为低分辨率(不低于30米)、中分辨率(5~30米)、高分辨率(1~5米)、甚高分辨率(优于1米)。在光谱特征上,需要覆盖足够的光谱带宽,又要有足够高的光谱分辨率。光谱分辨率为探测光谱辐射能量的最小波长间隔,确切地讲为光谱探测能力,是指在光谱曲线上能够区分开的两个相邻波长的最小间隔。谱段范围分得愈细,谱段愈多,光谱分辨率就愈高。通常对于多光谱成像,谱段从几个到几十个,光谱分辨率一般在100纳米左右;对于高光谱成像,连续谱段上百个,光谱分辨率一般在10纳米左右;对于超光谱成像,谱段上千个,光谱分辨率一般在1纳米左右。光谱分辨率越高,可分解的光谱数目越多,获得的光谱曲线越精细,越能更真实地反映地物目标的光谱特征,从而能更精确地识别地物和进行分类,提高自动区分和识别目标性质与组成成分的能力。在辐射特征上,需要有足够的动态范围,又要有足够高的辐射分辨率。辐射分辨率是指能分辨的目标反射或辐射的电磁辐射强度的最小变化量。辐射分辨率常用(Rmax-Rmin)/D来表示,其中Rmax为最大辐射量,Rmin为最小辐射量(包含噪声),Rmax-Rmin一般定义为动态范围,D为量化级数(对于8比特量化的系统,D=28=256)。在成像系统设计时,需要对动态范围和量化位数进行匹配设计。实际在轨运行时,由于成像条件的差异,每一幅图像的辐射分辨率存在较大的差别。在不饱和的前提下,通过优化成像参数设置,尽可能提高有效的动态范围,有利于提高图像的辐射分辨率。

一致性指的是数据产品在不同空间位置和时间序列上的稳定性程度,同一遥感卫星在数据获取过程中,受不同位置光照条件、天气条件、观测条件和参数设置的变化以及在轨性能退化等的影响,很难得到长期一致性好的数据产品,通常需要定期地进行在轨标定,并在地面进行高效的数据均匀化校正、拼接和融合处理,必要时调整模型反演的参数,以便得到一致性好、可追溯性强的信息产品,更好地满足用户的使用要求。

卫星遥感系统的效能评估通常需要根据影响效能的主要因素,运用系统工程分析的方法,在收集不同类型遥感任务的基础上,确定主要分析任务目标,建立综合反映卫星遥感系统达到规定目标能力的模型和算法,最终给出衡量卫星遥感系统效能的定性或定量评估结果。系统效能指标值通常由指标综合模型求得,主要有以下4种模型:加权求和模型、几何均值合成模型、串联指标综合模型、并联指标综合模型。

举一个可见光卫星遥感系统效能评估的例子。例如,我国的资源三号卫星遥感系统,其核心任务目标是完成我国优于1∶5万比例尺的地形测绘与地图更新任务;评估该系统的效能高低,重点要看应用系统输出的测绘信息产品对1∶5万比例尺测绘任务的满足程度。综合参考以上的A3C性能模型、精度要求(即平面精度优于25米,高程精度优于6米)、优于5米分辨率满足全国区域有效覆盖的完备性要求、更新速率优于半年的时效性要求,以及绝大多数产品在不同空间位置和时间序列上的一致性要求。例如用加权求和模型来进行效能评估,精度(权重w1=1.0,精度完全符合要求,满足程度p1=1.0),完备性(权重w2=0.9,受天气等要素的影响,全国仅80%区域得到有效覆盖,满足程度p2=0.8),时效性(权重w3=0.8,单颗卫星更新速率为6个月,满足程度p3=1.0),一致性(权重w4=0.8,产品的一致性达到90%,满足程度p4=0.9),则总的卫星遥感系统的效能约为92.6%。


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