航天相機

航天相機，是裝在航天器上對地球、天體和各種宇宙現象攝影的精密光學儀器。狹義上指對地球攝影的相機。1960年不載人的“水星”號飛船用航天相機攝取了大量地球彩色照片。此後，多種類型的航天相機相繼用於人造衞星和載人飛船。

航天相機主要是裝載在利用各種太空飛行器作為平台的遙感系統上，以人造衞星為主，包括載人飛船、航天飛機、太空站和各種行星探測器；

航天相機按圖像傳輸方式的不同，可以分為回收型和傳輸型兩類。回收型航天畫幅式相機主要優點是圖像幾何關係嚴密，影像分辨率高，圖像畸變小，測圖容易；缺點是傳感器在空間工作壽命太短，難以獲取目標區覆蓋的理想像片。歐洲空間局（ESA）空間實驗室上使用的MC(RMK)相機和Atlas計劃中使用的相機以及美國大幅面相機（LFC）都是畫幅式相機，地面分辨率分別為20米、5米和15米。歐洲空間局RMKA30/23型相機曾在美國哥倫比亞號航天飛機的第九次飛行時裝載，從250公里高度拍攝了比例尺為1：80萬的黑白片和彩色紅外像片，所攝像片能夠測繪3500幅1：10萬或1.4萬幅1：5萬比例尺地形圖。像幅大小為23釐米×46釐米的LFC相機裝載在美國航天飛機上，在1984年10月的飛行中，9天共獲得2140張像片。在放大後的影像圖上，機場、港口碼頭，甚至船舶都清晰可見。1987年我國首次發射的返回型大幅面框幅式相機的攝影測量也獲得成功。

傳輸型航天相機主要是以線陣CCD為感光元件的固態傳感器，主要可分為單線陣、雙線陣、三線陣數字相機，這些類型相機在國內外航天領域已經得到應用。單線陣數字相機中最具代表性的是法國的SPOT1-4系列衞星。

航天相機按成像方式分為畫幅式、全景式和航線式。

畫幅式航天相機攝影時光軸指向不變，利用啓閉快門將鏡頭視場內的地物影像聚焦在感光膠片上。畫幅相機攝得的照片的幾何關係較為嚴格，常用於目標定位和建立地形控制網。

全景式航天相機攝影時只應用鏡頭視場中心具有較高分辨率的部分，在垂直於飛行方向（軌道）上掃描，實現寬攝影覆蓋要求，但因攝得的照片存在全景畸變,故常用於偵察、發現和識別目標,並可為地形測繪完成大比例尺地圖平面測量和高程測量。航線式航天相機的光軸指向不變，膠片以掠過焦面的地物影像速度向前運行，通過相機焦面處的一個狹縫實現連續曝光，從而獲得與狹縫寬度相對應的地面窄條覆蓋的照片。

屬航線式相機的線陣相機，近年來獲得了很大發展。通常航天攝影採用多台不同功能的相機組成的相機系統，例如由畫幅式航天相機進行地物影像定位，用全景式航天相機進行地物影像識別。航天相機還有其他分類方法，例如根據影像獲取方式分為傳輸型和返回型航天相機；按用途分為偵察相機、測繪相機等；按攝影譜段分為可見光、紅外和多譜段航天相機等。

多年來，中國航空攝影生產中，使用的膠片型系列航空攝影測量相機主要是由國外引進的，主要產品類型有RC型攝影儀、RMK型航攝儀、以及AΦA型測圖航攝儀等。它的特點是滿足精度要求，氣象保障條件要求嚴格，成圖獲取週期較長。

在2000年ISPRS阿姆斯特丹大會上，航空數字相機開始出現；到2004年的ISPRS伊斯坦布爾大會上，航空數字相機已成為受人關注的熱點領域。在航空數字相機方面比較有代表性的三線陣相機是徠卡公司的ADS40。它是在成像面安置前視、下視和後視三個CCD線陣，在攝影時構成三條航帶實現攝影測量。由於技術的原因，目前生產像幅為23釐米×23釐米的大幅面的面陣CCD相機還有困難。國外正在大力發展利用拼接技術將中規模CCD拼接出滿足應用的大規模面陣CCD。近年來，國際上出現了採取軟硬件結合的方法研製大規模面陣CCD航空攝影相機，代表性相機包括德、美聯合研製的DMC以及奧地利Vexcel公司推出的大面陣相機系統UltraCamD。其中DMC全色波段是由4台分辨率為4K×4K面陣的CCD相機組成，像元大小為12um；UltraCamD是由8個鏡頭組成，其中4個鏡頭沿航線方向線性排列，為全色通道；4個鏡頭分佈在四角，為多光譜通道。

中國很重視航空數字相機的研發工作，現已取得很大突破，研製出一些具有國際先進水平的產品，甚至在某些方面優於國外同類產品。

研製大面陣航空數字相機是未來發展的重要方向。它的優點很多，一是環境適應能力強。數字相機的感光度高、光源適應性強，能在不同氣象條件甚至能實現雲層下航空攝影，降低了對攝影天氣條件的要求，可以大大縮短攝影週期。二是效率高，實時性強。用膠片相機拍攝的圖像要進行數字化處理，須經過拍照、沖洗、掃描三個步驟，獲取週期相對較長；而用數字相機攝影則無需膠捲，無需暗室，無需掃描儀，拍攝的圖像可以實現實時傳輸，並直接輸入到計算機中處理，大大提高了工作效率。三是測繪應用處理簡便快捷。面陣相機在資料應用處理方面與當前測繪生產體系兼容，現有裝備完全能夠滿足面陣相機資料處理的要求。四是性能價格比高。使用數字面陣相機能夠比使用膠片相機節省50%至75%的成本，而獲取的數字影像輻射精度和幾何精度都將大大提高

①能承受發射和返回過程的衝擊、振動和過載；

②具有較長的焦距和較高的分辨率；

③能適應空間的惡劣環境。現代航天相機在160 公里高度上分辨率已達到1米以內，可識別車輛、艦船、坦克和其他10米以下的目標。用電荷耦合器件作感測元件的航天相機具有使用壽命長、工作可靠性高、能實時傳輸圖像信息的特點,已在偵察、測繪和地球資源勘查等方面獲得應用。

1960年不載人的“水星”號飛船用航天相機攝取了大量地球彩色照片。

1986年2月22日，具有立體觀測功能的法國SPOT衞星搭載線陣CCD傳感器，獲取地面10米分辨率的全色波段影像，為中小比例尺地形圖測繪提供了新的數據源，為攝影測量提供了新的研究內容。另外，高分辨率遙感衞星例如美國的Ikonos、Quickbird和OrbView衞星，以色列的EROS-B衞星以及韓國的Kompsat衞星等，均採用單線陣相機作前、後或左、右搖擺來獲取立體影像。採用雙線陣數字相機典型的如SPOT-5衞星，提高了立體影像獲取效率，可沿軌實時獲取立體影像，地面分辨率為5米，地面覆蓋寬度達到120公里，其測圖的相對平面精度為10至15米，高程精度10米。在三線陣相機方面，具有代表性的有效載荷或衞星主要包括：德國在航天飛機、空間站和火星探測中採用的MOMS系列三線陣測繪相機。

1987年中國首次發射的返回型大幅面框幅式相機的攝影測量也獲得成功。

1993年德國發射的MOMS－2衞星搭載三線陣CCD相機,從理論上解決了攝站外方位元素的重構問題，大大提高了線陣掃描攝影測量的精度。日本為繪製1:2.5萬比例尺地圖，研製併發射了先進陸地觀測衞星（ALOS），該衞星配備了目前世界上公開報道的最先進的三線陣CCD立體測繪相機（PRISM），可以實現全球無控制測圖。

(1)美俄膠片型相機均以1條線/毫米對應地面距離表示，相當傳輸型相機的像元分辨率。

(2)普查相機多采用全景相機，幅寬較大，大於180km，分辨率1.8m～2m。

(3)1顆偵察衞星裝有多種相機：偵察相機2台～3台，索引相機1台，星相機1台～2台，有的還裝載測繪相機。

(4)採用膠片型的詳查相機焦距長、視場角小、攝影高度低。美國第1代詳查衞星KH-6的相機焦距1.676m，“大鳥”衞星相機的焦距大於2.4m；前蘇聯第1代詳查相機焦距3m，有的相機焦距大於6.5m，膠片型相機攝影高度160km～170km，傳輸型相機攝影高度為200km～250km。

(5)膠片型相機採用多體回收技術：美國回收艙達4個，俄羅斯多達10餘個。

(1)美國只回收膠片艙，俄羅斯不但回收膠片艙，而且最後一次回收時把相機回收到地面，以便重複使用。(2)美國詳查相機多采用折反式或全反式光學系統，俄羅斯多采用小相對孔徑(多為1/8)的折射式光學系統。

(3)俄羅斯詳查以膠片型相機為主，美國以傳輸型相機為主。

1、普查與詳查相結合

浪斬是在發展普查衞星的基礎上發展詳查衞星。詳查相機的特點是分辨率高，但照相覆蓋面

積小，適合於戰術偵察，多采用畫幅式或航線式相機，焦距3m～8m，攝影分辨率為60條線/毫米～88條線/毫米。攝影高度150km～180km時，其地面分辨率最高可達到0.15m～0.3m，幅寬只有幾千米或十幾千米。普查相機分辨率適中，覆蓋面積大，適用於戰略偵察和監視，多采用全景式相機，攝影分辨率為30條線/毫米，幅寬幾十千米至幾百千米。詳查和普查可互相取長補短，配合使用。1顆偵察衞星通常裝有普查和詳查相機，有時裝有測繪和多光譜相機等多種遙感

儀器。

2、膠片型偵察相機和傳輸型偵察相機相結合

隨着CCD器件的問世，促進了傳輸偵察相機的發展。傳輸型偵察相機具有壽命長、近實時的獲取信息、可靠性高等特點，因此美俄都大力研製傳輸型偵察相機。美國以傳輸型相機為主，輔助航天飛機攜帶膠片型相機為輔；而俄羅斯卻是兩種相機配合使用，各發揮其特長，並採用衞星多體回收技術彌補攝影偵察實時性差的缺點，例如俄羅斯CA-119膠片型普查相機仍在服役，分辨率為2m，所拍膠片已向美國空軍出售。由此可見膠片型偵察相機在航天偵察中繼續發揮作用，返回式衞星並沒有過時。 航天相機圖像的地面分辨率

地面分辨率是航天相機的重要設計指標之一。航天相機圖像的地面分辨率是人為定義的地面尺度，隨相機工作方式和成像原理的不同，有不同的定義和衡量(評定)標準。

膠片型相機的分辨率常用感光材料每毫米範圍內最多可分辨的黑、白線對(黑線和白線寬度相等，相間分佈)的數目來表示，其數值是通過相機對一塊具有各種不同寬窄、疏密的黑、白線條標板攝影成像來測定的。標板上黑線和白線的亮度對比(即反差)越大，相機的分辨率越優。當膠片型相機從太空軌道高度對準地面作垂直攝影時，與相機分辨率相對應的地面景物的尺度(即與標板線條有相同反差的地面上一組寬度相等、相間分佈的黑、白線條內一對線條的寬度)稱為圖像的空間分辨率。

CCD相機的分辨率常用CCD元件所對應的空間視場來表示；也可以用每平方毫米範圍內的CCD元件數或每毫米範圍內的CCD元件數來表示。當CCD相機從太空軌道高度對準地面作垂直攝影時，與相機分辨率相對應的地面景物的尺度稱為圖像的像元分辨率。

從上面所述可見，通常所言的航天相機圖像的地面分辨率，並不是對一般地物而言的實際圖像的分辨能力，而是對特定的地物(黑、白線條，膠片型相機)或者不考慮地物的類別(CCD相機)人為定義的一種尺度。這就是説，航天相機圖像的地面分辨率只是與圖像細部特徵尺度相對應的地面尺度。

上面論述了航天相機圖像地面分辨率的實質，下面對有關它的幾個問題作一定的研討。

①對膠片型相機，不存在圖像像元分辨率的概念。膠片型相機是使用感光材料(膠片乳膠層上分佈的鹵化銀晶體)來記錄景物的影像(圖像)，而且乳膠中的鹵化銀晶體直徑極小(一般不超過3μm)、形狀各異、分佈隨機。

②對CCD相機可以仿照膠片型相機定義圖像的空間分辨率，而且這樣定義的圖像空間分辨率為圖像像元分辨率(取一維線尺度)的偶數倍。

膠片型相機圖像的空間分辨率指與標板線條有相同反差的地面上一組寬度相等、相間分佈的黑、白線條內一對線條的寬度。如果CCD相機對準這種地物作垂直攝影時，其圖像的像元分辨率恰等於線條的寬度。在這種情況下，只要黑、白線條的反差足夠高，圖像上就可顯示出可分辨的黑、白線條，即CCD相機圖像的空間分辨率為像元分辨率的2倍。反之，若黑、白線條的反差過低，圖像上就顯示不出可分辨的黑、白線條。由於CCD元件接收到的是來自與它相對應的景物的電磁輻射能量，圖像是各像元的拼接，因此，在黑、白線條反差過低情況下，只有當相鄰幾個CCD元件組成的元件組均感測同一種顏色的線條(黑色或白色)時，圖像上才會有可分辨的線條。就是説，在黑、白線條反差低的情況下，CCD相機圖像的空間分辨率與像元分辨率之比值K為不小於4的偶數。

③相機圖像的地面分辨率可以不作靜態與動態之分。按相機與地物是否存在相對運動，其圖像

可作靜態和動態之分。如果把參照地物取為如前所述的黑、白線條，而且黑、白線條的方向與相機相對地物的運動方向平行，相機的靜態圖像和動態圖像就沒有差異，即相機圖像的動態地面分辨率就等於靜態地面分辨率。④據報導，法國航天局對正在研製的Spot-5地球資源衞星提出了一種用2幅圖像重疊來提高圖像地面分辨率的技術。具體來講，就是利用衞星上的2個傳輸通道傳送同一台CCD相機在同一瞬間拍攝的黑白圖像，在地面將這2幅圖像重疊起來，從而能在不減小視場的情況下，使原先只有5m像元分辨率的圖像經重疊得到像元分辨率為2.5～3m的圖像。法國航天局已將這一技術申請了專利。

如前所述，圖像地面像元分辨率為5m意味着寬度均為5m高反差的黑、白線條的像(像元)在圖像上是可分辨的。現將2幅這樣的圖像錯開半個像元進行重疊合成，如圖2所示。那麼，只要黑、白線條的反差足夠高，經這種方式重疊起來的圖像上可分辨的線條(黑色、灰色、白色和灰色線條順序排列，組成一組)寬度就只有原來像元寬度的1/2。這樣，經摺算可得合成後的圖像地面像元分辨率就為2.5m。