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高分辨率对地观测卫星光学遥感器标准研究※

更新时间:2009-03-28

我国卫星遥感已经在向地球整体观测和多星组网观测发展,逐步形成了立体、多维、高中低分辨率相结合的全球综合观测能力,各类遥感卫星已具备一定的业务化服务能力,行业应用从主要依靠国外数据和手段向主要依靠自主数据转变。高分辨率对地观测系统 (以下简称高分系统)对于提高我国自主对地观测信息获取能力、保障国家安全、增强综合国力具有重要战略意义。高分天基系统是高分系统对地观测层的核心部分,它由具有不同观测能力的遥感卫星系统组成,实现全球高分辨率对地观测任务。遥感卫星的有效载荷是用于实现各种具体遥感任务的遥感器[1-3],它通过接收目标反射或辐射的电磁波以获取目标的性质、形状、大小、位置等有关目标的特征信息,能够对地面进行精确观测与侦察,其性能直接影响后端地面数据处理精度和最终的应用效益,对于高分系统至关重要。

为形成具有核心自主知识产权的高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、高辐射分辨率的卫星对地观测能力,我国高分系统通过搭载不同类型的遥感器,进行各个观测谱段、高中低轨道结合以及全天时、全天候、全球的大气、陆地和海洋观测。根据观测频率或者波长范围不同,遥感器分为光学遥感器和微波遥感器 [4-6]。目前,我国遥感卫星光学遥感器尚未建立起完善、配套的标准体系,急需通过梳理、总结型号研制与应用经验,建立高分系统卫星光学遥感器标准体系,制定关键技术标准,从而固化成熟技术与成果,提高卫星光学遥感器的探测能力和侦察能力,提高我国自主空间数据获取的保证能力。

1 高分系统卫星光学遥感器标准化需求分析

我国目前已围绕卫星光学遥感器研制开展了一些标准化工作,取得了一定成果。但随着光学遥感器技术的发展,这些成果已经不能满足高分系统卫星光学遥感器产品研制的需要,主要表现在标准体系和关键技术标准方面。

标准体系对于系统化、科学化地开展标准化工作有着重要的作用。目前我国与卫星光学遥感器相关的标准体系主要是从遥感卫星系统角度建立的,而针对卫星光学遥感器产品策划的标准数量较少且未覆盖全寿命周期。同时,由于卫星光学遥感器具有种类多、数量多、技术发展快等特点,标准体系规划的一些标准项目已不能满足光学遥感器的发展趋势,需要围绕卫星光学遥感器产品进行研究分析,系统策划覆盖卫星光学遥感器产品全寿命周期的标准体系,有效指导卫星光学遥感器相关标准的制修订工作。

卫星光学遥感器经过多年发展,已经由最初的胶片式摄影机发展为具有大视场、宽覆盖、多光谱、高光谱等诸多优点的传输型相机。高分系统光学遥感卫星规划了高分辨率可见光/多光谱相机、高分辨率光谱探测仪等多种光学遥感器,其中部分光学遥感器沿用了现有成熟技术,而大部分遥感器则是在已有技术的基础上进行适当改进,或是采用新技术的新型高分辨率光学遥感器。对于沿用现有成熟技术的光学遥感器,虽然目前已有一些相关的国家军用标准,但这些标准的标龄较长,标准部分技术内容已不适用,且标准零散、不成体系,无法有效规范光学遥感器的设计、生产、试验、验收及应用等过程,不利于现有成熟光学遥感技术的固化和拓展。同时,对于新型高分辨率卫星光学遥感器,由于涉及大孔径长焦距光学系统设计技术、大面阵实时传输成像技术、高精度定标技术等多种先进技术,对卫星光学遥感器产品的性能指标、测试/试验方法等提出了更高要求,一些现有相关标准已不再适用,需要针对新型卫星光学遥感器特点,将型号研制过程中关键技术的攻关成果进行固化,为后续卫星光学遥感器的研制奠定技术基础。

2 国外光学遥感器标准现状

2.1 光学遥感器基础标准

ISO/TC 211(地理信息技术委员会)制定了一系列与遥感技术和应用相关的标准,与光学遥感器相关的基础标准有1项模型标准和1项元数据标准;开放地理口空间信息联盟 (OGC)中有2项遥感器内容模型和描述方面的标准。具体内容见表1。

 

表1 ISO/TC 211和OGC的基础标准

  

标准名称 标准主要内容遥感器模型语言*(Sensor Model Language)定义一个描述遥感器及其观测过程以及观测结果后处理的框架SWE一般数据模型*(SWE Common data Model)定义遥感器的数据模型,允许不同应用或服务器以自描述方式编码和传递遥感器数据集,用于定义该类数据的表达、性质、结构和编码,适用于各类原位遥感器、卫星遥感器等注:*为OGC发布的标准。ISO 19156地理信息-观测 与 测 量 (Geographic information Observation and measurement)定义一个遥感器观测以及所观测要素的概念模式,提供在不同团体之间进行观测行为和观测结果的信息交换模型ISO 19115地理信息——元 数 据(Geographic information Meatadata)定义地理信息与服务的元数据框架,提供信息的定义、质量、扩展、参考系、描述以及其他地理信息数据的属性

目前,我国已对ISO 19115:2003进行了转化,可以为规范光学遥感器的设计和研制、形成标准化的设计和研制流程提供指导。在光学遥感器内容模型和描述方面,我国可以借鉴ISO 19156和OGC制定相应标准,规范光学遥感器通用的概念、模型,描述光学遥感器自身特征与观测过程。

2.2 光学遥感器产品标准

美国军用标准 (MIL)中有2项光学遥感器产品标准,具体内容见表2。MIL-C-85248A《全景相机军用规范》、MIL-PRF-49320A《激光红外观测单元性能规范》标准的内容仅适用于航空侦察飞机的观测载荷,不适用于卫星观测系统。

丙麻乡,位于云南省保山市隆阳区东南部,与西邑乡、瓦渡乡、汉庄镇和昌宁县接壤,是一个典型的山区农业乡。丙麻乡总面积219.33 km2,有13个村委会(社区)种植烤烟,乡内最高海拔2 383 m,最低海拔1 050 m,年平均气温17.5℃,年平均降雨量850~1 290 mm。烤烟主要规划种植于海拔1 400~1 700 m的地区,历经发展,烤烟已成为丙麻乡人民脱贫致富、增收创业的第一产业,并巩固发展成为隆阳区最适宜烤烟生产的骨干区。

NASA标准中并没有专门针对光学遥感器的标准,表3所列标准的内容均是关于有效载荷的通用要求,没有关于有效载荷的具体性能要求。并且NASA标准中对于有效载荷的定义与我国有所不同,有的是指单机设备,有的是指航天器整体,并且一些标准中只针对特定的设备,如太阳电池帆板等。其中一些技术内容,如有效载荷风险分类、有效载荷电磁兼容性要求等对我国卫星光学遥感器进行安全性设计、可靠性设计和环境试验等具有一定的参考作用。

 

表2 MIL与光学遥感器相关的标准

  

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表3 NASA与光学遥感器相关的标准

  

标准名称 标准主要内容NASA-STD-7001有效载荷振动声学测试准则( Payload Vibroacoustic Test Criteria)规定了航天器有效载荷硬件的声振动试验过程试验系数/试验持续时间、试验控制容差、数据分析、试验剪裁、有效载荷填充效应和分析方法NASA-STD-7002有效载荷测试要求 (Payload Test Requirements)规定了有效载荷功能、性能和环境试验的量级、要素、边界条件、持续时间等其他参数NASA-STD-5002航天器与有效载荷载荷分析(Load Analyses Of Space craft And Payloads)规定了进行有效载荷分析的方法、做法与要求。制定了NASA关于有效载荷和航天器设计与研制中确定载荷的一般方针

 

表4 ISO/TC 211遥感器几何校正和定标标准

  

标准名称 标准主要内容ISO 19130:2010地理信息-地理定位的图像遥感器模型 (Geographic infor mation -Imagery sensor models for geopositioning)定义确定遥感影像像素点在像方空间和地理空间之间对应关系所需的必要信息,同时定义随着影像数据发布的元数据供用户确定影像的地理位置ISO 19159-1地理信息-图像遥感器定标和验证方法及元数据 (Geo graphic information-Cali bration and validation of remote sensing imagery sensors and data)定义空载和星载遥感影像遥感器定标和验证方法,定标方法包括在实验室和定标场进行的几何、辐射和光谱定标,验证方法是针对定标信息的验证,同时,还定义了与定标和验证相关的元数据

2.3 光学遥感器应用标准

2.3.1 光学遥感器几何校正和定标标准

第二分支为产品标准,按照高分系统光学遥感器的类型进行划分,主要包括光学相机产品标准、光学探测仪产品标准和激光雷达产品标准。虽然高分系统未规划激光雷达的研制,但从未来技术发展考虑应将其标准纳入体系。还可进一步按工作光谱和成像方式进行划分,主要包括可见光、红外、多光谱和高光谱等各种类型光学遥感器产品标准。

高分系统卫星光学遥感器标准体系是系统、有序推进卫星光学遥感器产品研制,促进形成全面、完整、层次清晰的卫星光学遥感器配套标准项目及其层次架构的重要基础性工作。在构建标准体系框架的过程中,主要遵循以下原则。

2.3.2 光学遥感器图像质量评价标准

图像质量评价方法主要分为基于成像系统性能的客观评价方法和基于任务的主观评价方法。基于成像系统性能的图像质量评价方法,主要利用光学传递函数 (MTF)、空间分辨率、信噪比等来评价光学系统的成像质量,可以客观地给出光学成像质量。基于任务的图像评价方法是一种综合性的图像质量度量方法,根据不同遥感器类型进行分级定义,确定不同任务目标的等级。

第三分支为研制技术标准,主要包括光学遥感器设计、工艺和测试试验等研制过程方面的标准。 “设计标准”包括:光学遥感器总体设计、光学系统设计、电子系统、结构和机构设计、热控系统设计、可靠性设计等方面的设计要求以及设计准则、设计方法等; “工艺标准”主要为光学系统制造和装调、光学遥感器整机装调等生产中的通用工艺要求与方法标准; “测试试验标准”主要为地面性能测试、环境试验、可靠性试验、仿真试验等通用方法标准,如辐射性能测试、光谱性能测试、几何性能测试等性能测试,力学环境、热环境、电磁环境试验方法等环境试验,可靠性鉴定试验与可靠性增长试验等可靠性试验、数字仿真、半实物仿真等仿真试验。

我国通过几十年在光学遥感领域的发展以及近几年在高分系统建设中开展的技术攻关,已经积累一些成熟经验和技术成果,可以尽快形成标准进行推广,以规范后续光学遥感器的研制。首先,高分系列各类卫星光学遥感器正逐步在轨应用,而相关标准较少,应优先制定光学遥感器运行和应用标准,以满足光学遥感器的应用要求。第二,光学遥感器的性能、寿命和可靠性等,需要通过试验来验证是否满足设计要求,从而不断改进产品,需要对光学遥感器的试验要求进行统一的规定。第三,随着高分系统建设的不断深入,一些产品的技术基本固化,可以进行重复生产,需要用产品规范规定产品的技术指标,为用户验收产品提供依据。

美国围绕不同的光学遥感器的成像特点和不同的应用需求开发了NIIRS,在遥感图像评价方面发挥了重要的作用。我国可借鉴NIIRS关于图像解译度分级标准,建立起空间光学遥感器综合评价机制,根据不同遥感器 (可见光、红外、多光谱)的特点,制定基于任务的遥感图像的分级要求,以指导光学遥感器成像质量评价,为空间光学遥感器需求论证、总体技术性能指标确定提供科学的依据。

随着汽车技术的日新月异,发动机的控制技术也在不断完善,尤其在环保形势日趋严峻的现在,发动机的排气控制技术更是被各大汽车生产厂家重视,目前每一项发动机技术的更新,比如气门开闭正时控制、断缸控制、汽油蒸发控制、二次空气喷射、混合动力技术、直喷技术等等都会或多或少对尾气排放的程度有所改善。

研究组16例,女:7例,男:9例。年龄31至77岁,平均年龄(46.82±5.71)岁。收集两组患者的基本资料比较无明显差异,P>0.05,无统计学意义。

3 高分系统卫星光学遥感器标准体系构建

3.1 标准体系构建原则

目前,我国在光学遥感器几何校正和定标方面的标准较少,ISO 19130、ISO 19159-1可以为我国相关标准的制定提供参考,从而提升我国遥感定量化水平。

a)全面性原则。覆盖不同光谱特性、不同工作原理、不同仪器类型、不同成像的光学遥感器,为卫星光学遥感器的研制、生产、运行维护和应用全寿命周期提供有效指导。

b)继承性原则。借鉴现有标准体系的一些建设思路,结合目前产品的研制和应用情况,合理构建标准体系框架。

c)先进性原则。充分体现光学遥感器关键技术的先进性,反映军事应用、各行业应用的标准需求,为解决卫星光学遥感器研制与应用重大“瓶颈”技术的攻关提供技术支持。

3.2 标准体系框架

高分系统卫星光学遥感器标准体系主要分为4个部分,如图1所示。

综合考虑目前型号的研制进展情况、技术成熟度情况等方面因素,急需制定如下标准。

ISO/TC 211中与光学遥感器应用相关的标准有2项,具体内容见表4。

太阳已经升起来,殷明站在大街上,透过手掌抬头望着这个迟迟不肯升起的火球,发出耀眼刺目的光线,光线穿过指缝映在苍白的脸上暖暖的、柔柔的、轻轻的。这光线像是一根燃起的火柴,点亮了心底死寂枯萎的心房,闪现着微弱、黯淡、忽隐忽现的光亮。

第四个分支为运行与应用标准,主要包括在轨测试与管理、数据定标以及数据质量控制标准。 “在轨测试与管理标准”包括在轨性能测试、安全监管、异常和故障管理等方面; “数据定标标准”包括几何定标、光谱定标、辐射定标等方面; “数据质量控制标准”主要包括图像质量的评价和预估等方面。

4 高分系统卫星光学遥感器急需制定标准分析

美国发布了基于任务的卫星遥感器成像质量评价方法标准[7],被称作国家图像解译度分级标准 (简称 NIIRS),是基于应用任务 (发现、区分、鉴别)、直接与成像系统性能相关的图像质量标准。NIIRS作为一种主观图像质量标准,将用户的需求同遥感图像的质量联系起来,是目前西方情报机构广为使用的一种图像质量标准。NIIRS最终的标准是根据分辨率的变化确定的,该标准每个级别代表分辨率增加或减小一半。对于10个级别的每一级,分别选择了一组任务或判据,将标准定义为0~9级。每个级别的任务都针对5个兵种 (海、陆、空、导弹、电子)进行了规定。这些任务或判据规定了具体目标和解译度等级 (发现、识别、确认)。

取第二次活化好的四种指示菌菌悬液100 μl在固体琼脂平板上均匀涂布,用镊子将无菌牛津杯轻轻放入培养皿,在水平放置的平皿中均匀地放置3个牛津杯,设置无菌水处理作为空白对照组,编号为0,9个浓度梯度的抑菌悬液编号为1~9,分别预先在培养皿边缘做好编号标记,每个浓度梯度做四个重复处理。加入各个浓度梯度的抗菌肽悬液200 μl于相应编号的牛津杯中,注意不要将抗菌肽悬液加满牛津杯,防止抗菌肽悬液溢出牛津杯外。

第一个分支为基础标准,主要包括卫星光学遥感器术语、分类代码和元数据等方面的标准。

将萃取纤维头插入前处理好的样品瓶中,萃取温度25℃,样品平衡时间5 min,萃取时间50 min,乳化器转速500 r/min。于250℃解吸5 min后进行GC-MS分离鉴定。

a)为促进我国遥感信息定量化应用,缩小与发达国家的卫星遥感技术差距,据美、法等国家遥感卫星在轨场地辐射定标经验,我国开展了大量的研究工作。在我国高分系统建设中,相关单位利用技术攻关成果以及自身优势,依托敦煌辐射校正场开展了高分宽视场成像仪的在轨场地辐射定标试验,成功实现了卫星在轨辐射性能的实时监测与校准。基于反射率基法、辐照度基法和辐亮度基法的在轨场地辐射定标方法已经取得了丰富的成果,具有广泛推广应用的价值。

其中,Rt为t时间点原研富马酸喹硫平片的平均累计溶出度;Tt为t时间内自研富马酸喹硫平片的平均累计溶出度;n为取样点数(n为3~5,且R>85%的点不超过1个)。对于普通口服固体制剂,若15 min内溶出率均超过85%,则可直接判定为相似;若15 min时溶出率未到85%,需选取间隔相近的3~5个时间点的溶出率(溶出率超过85%以上的时间点仅能选取1个)计算f2,f2值越大,表明两条溶出曲线差异越小,若50≤f2<100,则表示自研富马酸喹硫平片与原研片体外溶出行为相似。

 

b)对于光学遥感器这类精密光电仪器,一些微小的环境影响都会对其正常工作构成威胁,因此在光学遥感器的研制过程中,要充分考虑真空、微重力、冷空间等环境的影响。高精度、高稳定度的光学遥感器对结构水平、光学系统及探测电路的热设计要求极其严格,需要通过适度的力学和热学环境模拟试验发现问题。高分系列卫星研制中已开展了大量的微振动、噪声等力学以及热真空热学环境试验,通过试验结果分析、改善光学遥感器设计和制作工艺,这些成熟试验要求和方法的固化对光学遥感器可靠性的提高具有重要的意义。

近37年柑橘生长期的年平均气温、年积温呈明显增加的态势,气温、年积温与柑橘产量间呈显著的正相关,表明气候变暖对柑橘增产有促进作用。南丰县年平均降水量波动大,但总体呈增加趋势,年降水量与柑橘产量相关不显著。从降雨变化趋势来看,南丰县降雨资源丰富,自然降水时空分布不均。南丰县日照时数呈减少趋势,但南丰县日照充足,能满足柑橘生长发育需要。

c)我国对地观测的遥感器技术得到了很大的发展, “资源系列”、 “风云系列”等研制了大量可见光相机并具备了多光谱观测手段,已发射的高分系列卫星搭载的可见光/多光谱相机达到较高的空间分辨率。目前,可见光/多光谱相机的技术指标体系已基本固化,相应的检验方法也已成熟,将这些技术要求形成产品规范,可以规范后续卫星可见光/多光谱相机的研制和验收工作。

5 结论与建议

本文在对国内外相关标准体系调研分析的基础上,研究策划了高分系统卫星光学遥感器标准体系,并结合高分系统卫星光学遥感器关键技术,提出了高分系统卫星光学遥感器方面急需制定的相关国家军用标准,为后续相关标准制修订工作奠定了基础。

a)卫星光学遥感器技术是高分系统建设的关键技术之一,是确保该系统高质量完成观测任务的核心能力。美国、俄罗斯、法国等国家经过多年的发展,均已具备较高分辨率光学遥感器研制能力,并且在大量军用和商业卫星系统中应用和验证。我国虽然在对地观测卫星光学遥感器技术水平有了显著提升,但与先进国家相比仍然存在一定差距,需对制约的关键技术 “瓶颈”进行攻关,并将技术攻关的成果及时进行固化成标准,以指导后续高分系统卫星光学遥感器的研制。

b)通过对国内外相关标准体系分析和总结,围绕光学遥感器的全寿命周期策划高分系统卫星光学遥感器标准体系,本文所述的标准体系重点策划了光学遥感器产品标准、研制标准、运行和应用标准。其中, “产品标准”按照不同类型光学遥感器进行策划; “研制标准”主要针对光学遥感器的设计、工艺、测试和试验的关键过程进行策划; “运行和应用标准”主要针对光学遥感器的在轨测试与管理、数据定标与质量控制等方面策划。

c)建议分批分块尽快开展急需标准的研制。研制标准的轻重缓急顺序为:运行与应用标准>试验标准>产品标准。综合考虑目前型号的研制进展情况、技术成熟度以及标准急需程度等方面因素,可以先期开展 《星载可见光-近红外遥感器在轨场地辐射定标方法》、 《星载热红外遥感器在轨场地辐射定标方法》、 《星载光学遥感器力学试验方法》、 《星载光学遥感器热真空试验方法》以及 《星载可见光/多光谱相机规范》等国家军用标准的研制工作。

综上所述,钛板颅骨修补术修补效果良好,并发症发生率低,但并发症可能会导致手术失败,所以应采取积极有效的措施进行处理,提高手术成功率。

参考文献

[1]徐福祥,林华宝,郭亚泽,等.卫星工程 [M].中国宇航出版社2004.

[2]张永生,王涛.航天遥感工程 [M].科学出版社,2010.

[3]夏西茜.国外遥感卫星现状简介 [J].国际太空,2012(9).

[4]陶家生,孙治国,孙英华,等.静止轨道高分辨率光学遥感探索 [J].光电工程,2012(6) .

[5]黄巧林,姜伟.高分辨率航天光学遥感器发展新思路研究 [J].航天返回与遥感,2007(12) .

[6]岳涛.我国航天光学遥感技术成就与展望 [J].航天返回与遥感,2008(9).

[7]马文波.航天光学遥感技术 [M].中国科学技术出版社,2011.

 
吴永亮,陆静,林任,党欣
《航天标准化》 2018年第01期
《航天标准化》2018年第01期文献

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