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书名：高分辨率视频卫星标准产品分级体系
定价：88.0
ISBN：9787030518170
作者：张过 等
版次：1
出版时间：2017-05
内容提要：
本书主要介绍国内外高分辨率视频卫星的发展现状以及相应的产品标准化现状。针对星载光学视频传感器的特点，结合国内外标准产品分级的优缺点，提出一套适用于高分辨率光学视频卫星的标准产品分级体系，包括传感器校正帧序列产品、传感器校正视频产品、超分辨率重建产品、动态变化检测产品和三维重建产品等。在此基础上，详细叙述各级产品的制作流程，并针对分级体系方案，利用Skysat、吉林一号视频卫星数据进行验证。为便于科研和生产人员实现本书提出的分级方案，书中还介绍了星载视频产品制作所涉及的关键算法。
目录：
目录
第1章 高分辨率视频卫星发展现状及趋势 1
1.1 国外高分辨率视频卫星发展现状 2
1.2 国内高分辨率视频卫星发展现状 7
1.3 高分辨率视频卫星发展趋势 8
第2章 高分辨率视频卫星产品标准化现状 9
2.1 Skysat产品分级体系 10
2.2 UrtheCast产品分级体系 10
2.3 吉林一号视频卫星产品分级体系 11
第3章 高分辨率视频卫星产品分级概述 13
3.1 0级数据 14
3.2 传感器校正帧序列产品 14
3.3 传感器校正视频产品 14
3.4 超分辨率重建产品 14
3.5 动态变化检测产品 14
3.6 三维重建产品 14
第4章 高分辨率视频卫星标准产品制作 17
4.1 传感器校正帧序列产品 18
4.1.1 定义 18
4.1.2 产品制作流程 18
4.1.3 元数据内容 21
4.2 传感器校正视频产品 29
4.2.1 定义 29
4.2.2 产品制作流程 29
4.2.3 元数据内容 29
4.3 超分辨率重建产品 39
4.3.1 定义 39
4.3.2 产品制作流程 39
4.3.3 元数据内容 41
4.4 动态变化检测产品 48
4.4.1 定义 48
4.4.2 产品制作流程 48
4.4.3 元数据内容 49
4.5 三维重建产品 50
4.5.1 定义 50
4.5.2 产品制作流程 51
4.5.3 元数据内容 53
第5章 高分辨率视频卫星标准产品体系验证 57
5.1 仿真验证 58
5.1.1 试验数据 58
5.1.2 原始视频几何模型试验 58
5.1.3 帧间运动估计试验 58
5.1.4 稳像后卫星视频配准精度试验 59
5.2 Skysat验证 60
5.3 吉林一号视频卫星验证 62
5.3.1 吉林一号视频卫星辐射校正处理 62
5.3.2 吉林一号视频稳像 68
5.3.3 吉林一号视频卫星超分辨率重建 71
5.3.4 吉林一号视频卫星动态变化检测 75
第6章 高分辨率视频卫星标准产品制作基本算法 79
6.1 视频辐射校正 80
6.1.1 贝尔插值 80
6.1.2 视频影像相对辐射校正 81
6.1.3 异常探元处理 82
6.1.4 基于靶标色彩校正技术 84
6.2 传感器校正 86
6.2.1 单帧卫星视频严密几何成像模型 86
6.2.2 虚拟面阵严密几何成像模型 91
6.2.3 RPC模型 92
6.3 视频稳像 95
6.3.1 卫星视频单帧定向模型 96
6.3.2 基于固定帧的帧间运动估计模型 97
6.3.3 基于固定帧的卫星视频运动补偿 98
6.4 动目标检测与跟踪 98
6.4.1 动目标检测 99
6.4.2 动目标跟踪 101
6.5 超分辨率重建 102
6.5.1 图像降质模型 103
6.5.2 降质模糊函数估计 105
6.5.3 亚像素级全局运动估计方法 105
6.5.4 超分辨率重建算法 108
6.5.5 图像复原算法 112
6.5.6 超分辨率重建质量评价 113
6.6 三维重建 114
6.6.1 立体影像定向技术 114
6.6.2 影像密集匹配技术 115
参考文献 125
在线试读：
第1章 高分辨率视频卫星发展现状及趋势
经过30多年的发展，我国航天技术取得了巨大进步，已形成资源、气象、海洋、环境、国防系列等构成的对地观测遥感卫星体系。特别是在“高分辨率对地观测系统”国家科技重大专项建设的推动下，通过在平台传感器研制、多星组网、地面数据处理等方面的创新，我国遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、数据质量大幅提升，为我国现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重要领域提供了信息服务和决策支持。随着遥感应用的深入，应用需求已从定期的静态普查向实时动态监测方向发展，利用卫星对全球热点区域和目标进行持续监测，获取动态信息已经成为迫切需求。
由于视频卫星可获得一定时间范围内目标的时序影像，具备了对运动目标的持续监视能力，视频卫星成像技术已成为遥感卫星发展的一大热点。
1.1 国外高分辨率视频卫星发展现状
美国Skybox Imaging公司(2016年3月更名为Terra Bella)于2013年发射的米级分辨率视频卫星Skysat-1，是全球首颗能够拍摄全色高清视频的卫星。之后该公司于2014年又发射了Skysat-2，并计划建成由24颗小卫星组成的Skysat卫星星座。加拿大的UrtheCast公司，将视频相机安置在国际空间站上，可提供近实时的全彩色高清视频，实现了对地球表面的高动态监测，在环境监测、人道主义救助、社会活动以及农业土地等领域开展了业务。
1. Skysat系列
2013年11月21日，Skybox Imaging公司发射了全球首颗能够拍摄高清卫星视频的小卫星Skysat-1，卫星运行的太阳同步轨道高度为578km，标志着遥感20时代的到来；该公司于2014年7月8日发射了第二颗Skysat-2，卫星运行的太阳同步轨道高度为637km。Skysat是首*采用面阵传感器的米级分辨率对地观测卫星，重120kg左右，体积为60cm×60cm×95cm。装备安置了Ritchey-Chretien Cassegrain望远镜，反光镜由碳化硅材料制造，焦距为3.6m，其焦面由三个低噪声、高频率的5.5 megapixels CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)图像探测器组成，呈品字形排列，如图 1.1所示。每个CMOS的上半部分(PAN)用来拍摄全色视频，三个CMOS拼接影像尺寸可达到2560×2160像素(每个像素的物理尺寸为6.5μm)，影像覆盖范围约为2km×2km，采用JPEG 2000格式进行压缩并下传，下传率为450Mbit/s。同时采用数字TDI(digital time delay inteyral,Digital TDI)
技术进行地面图像处理，生成的标准视频产品影像分辨率达1.1m，每一帧大小尺寸为1920×1080像素，视频帧率为30帧/s，持续时间为90s。图1.2为Skysat拍摄的迪拜哈里法塔视频的其中一帧影像，能够清晰地看到天空中的飞机和地面行驶的汽车。
图1.1 Skysat焦面CMOS排列及结构
图1.2 Skysat哈里法塔单帧影像
2. UrtheCast
总部位于加拿大温哥华的UrtheCast公司，具有国际化的协作背景，它由英国、加拿大、俄罗斯三个参与了国际空间站建设的国家共同投资创设。2013年底和2014年初，UrtheCast将两台地球成像相机安置在国际空间站舱外的敏捷指向平台上，国际空间站运行在距离地球表面300多千米的轨道上，每天绕地球16圈，速度是26000km/h。安置的两台摄像机分别是一架名为Iris的高解析度照相机(分辨率为1.1m)以及一台名为Theia的中等解析度相机(分辨率为5.5m)，其中Iris可以拍摄并生产时长60s的高清全彩色视频，载荷具体参数如表1.1所示。UrtheCast视频产品参数如表1.2所示，Iris所拍摄的伦敦一帧影像如图1.3所示。
表1.1 Iris相机参数
表1.2 UrtheCast视频产品参数
图1.3 Iris相机拍摄的伦敦视频一帧影像
3. 美国MOIRE项目
MOIRE项目由美国鲍尔宇航技术公司为主承包商，负责光学系统设计、地面原理样机研制和测试，美国NeXolve材料公司负责衍射薄膜研制，美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)负责衍射镜研制。2014年5月，鲍尔宇航技术公司完成了两块分块镜和其衍射薄膜镜片支撑结果与展开链接结果的热真空测试工作，标志项目合同的完成。其业务型的实用系统由美国国家侦查局开发，整个业务成本5亿美元，光学系统采用菲涅尔波带片或者光子筛形式的主镜，口径达20m，发射时处于折叠状态，入轨后展开。系统可在静止轨道实现1m高分辨率，视场为10km×10km，成像帧率为1帧/s，实现对敌方军事目标的连续监视，将大幅提升对动态目标的监视能力。
4. GO-3S卫星
GO-3S卫星系欧洲静止轨道空间监视系统卫星，分辨率为3m，幅宽为100km，5帧/s的视频拍摄能力，设计装配4m口径光学成像系统，整个卫星质量约8t。GO-3S卫星共有三个视频工作模式，分别为快速连拍模式、持续视频模式和时延视频模式。阿斯特里姆公司正在寻求外部资金以启动项目，该公司已经向研发工作投资。投资于项目的国家将获得卫星的部分能力，还将获得卫星服务收益。目前该项目已经引起新加坡等国的兴趣，阿斯特里姆公司可能与新加坡进行技术合作和商业合作。阿斯特里姆公司2012年底完成了项目可行性分析，研发工作将在2013～2015年进行，计划2016年开始制造卫星，2020年正式运行卫星。
5. 印度尼西亚LAPAN卫星
印度尼西亚LAPAN-TUBSAT卫星质量为56kg，采用太阳同步轨道，高度635km。其有效载荷包括1台高分辨率摄像机和1台低分辨率摄像机。高分辨率摄像机主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用摄像机和尼康公司制造的1m焦距、f/11相对孔径的折射望远镜组成，空间分辨率为6m，幅宽为3.5km。DXC-990P由3个CCD组成，每个CCD像素数为752×582，像素尺寸为7μm。
印度尼西亚LAPAN-A2卫星平台尺寸47cm×50cm×36cm，在俯仰和滚动向可侧摆正负30°，发射质量76kg。卫星携带4个有效载荷，其中的视频相机与LAPAN-TUBSAT相同，还包括试验型空间数字相机、船舶自动识别系统和无线电通信载荷。
6. 南非“先锋卫星”
“先锋卫星”有个特殊工作模式，称为Viewfinder取景器模式，当卫星地面站可以访问卫星时，操作人员通过Viewfinder系统先发现感兴趣区域，然后通过姿态调整，同时调整成像仪对目标区域成像，该系统还可用于人工云判。Viewfinder系统包括1台宽视场视频相机，幅宽为120km；1台窄视场视频相机，分辨率为5～10m，幅宽为3～6km。该卫星具有4级前向运动补充机构，使得卫星对目标的扫描速度比卫星轨道速度慢4倍，在对目标进行连续观测的同时可以获得足够的光量，保证成像质量。
定价：88.0
ISBN：9787030518170
作者：张过 等
版次：1
出版时间：2017-05
内容提要：
本书主要介绍国内外高分辨率视频卫星的发展现状以及相应的产品标准化现状。针对星载光学视频传感器的特点，结合国内外标准产品分级的优缺点，提出一套适用于高分辨率光学视频卫星的标准产品分级体系，包括传感器校正帧序列产品、传感器校正视频产品、超分辨率重建产品、动态变化检测产品和三维重建产品等。在此基础上，详细叙述各级产品的制作流程，并针对分级体系方案，利用Skysat、吉林一号视频卫星数据进行验证。为便于科研和生产人员实现本书提出的分级方案，书中还介绍了星载视频产品制作所涉及的关键算法。
目录：
目录
第1章 高分辨率视频卫星发展现状及趋势 1
1.1 国外高分辨率视频卫星发展现状 2
1.2 国内高分辨率视频卫星发展现状 7
1.3 高分辨率视频卫星发展趋势 8
第2章 高分辨率视频卫星产品标准化现状 9
2.1 Skysat产品分级体系 10
2.2 UrtheCast产品分级体系 10
2.3 吉林一号视频卫星产品分级体系 11
第3章 高分辨率视频卫星产品分级概述 13
3.1 0级数据 14
3.2 传感器校正帧序列产品 14
3.3 传感器校正视频产品 14
3.4 超分辨率重建产品 14
3.5 动态变化检测产品 14
3.6 三维重建产品 14
第4章 高分辨率视频卫星标准产品制作 17
4.1 传感器校正帧序列产品 18
4.1.1 定义 18
4.1.2 产品制作流程 18
4.1.3 元数据内容 21
4.2 传感器校正视频产品 29
4.2.1 定义 29
4.2.2 产品制作流程 29
4.2.3 元数据内容 29
4.3 超分辨率重建产品 39
4.3.1 定义 39
4.3.2 产品制作流程 39
4.3.3 元数据内容 41
4.4 动态变化检测产品 48
4.4.1 定义 48
4.4.2 产品制作流程 48
4.4.3 元数据内容 49
4.5 三维重建产品 50
4.5.1 定义 50
4.5.2 产品制作流程 51
4.5.3 元数据内容 53
第5章 高分辨率视频卫星标准产品体系验证 57
5.1 仿真验证 58
5.1.1 试验数据 58
5.1.2 原始视频几何模型试验 58
5.1.3 帧间运动估计试验 58
5.1.4 稳像后卫星视频配准精度试验 59
5.2 Skysat验证 60
5.3 吉林一号视频卫星验证 62
5.3.1 吉林一号视频卫星辐射校正处理 62
5.3.2 吉林一号视频稳像 68
5.3.3 吉林一号视频卫星超分辨率重建 71
5.3.4 吉林一号视频卫星动态变化检测 75
第6章 高分辨率视频卫星标准产品制作基本算法 79
6.1 视频辐射校正 80
6.1.1 贝尔插值 80
6.1.2 视频影像相对辐射校正 81
6.1.3 异常探元处理 82
6.1.4 基于靶标色彩校正技术 84
6.2 传感器校正 86
6.2.1 单帧卫星视频严密几何成像模型 86
6.2.2 虚拟面阵严密几何成像模型 91
6.2.3 RPC模型 92
6.3 视频稳像 95
6.3.1 卫星视频单帧定向模型 96
6.3.2 基于固定帧的帧间运动估计模型 97
6.3.3 基于固定帧的卫星视频运动补偿 98
6.4 动目标检测与跟踪 98
6.4.1 动目标检测 99
6.4.2 动目标跟踪 101
6.5 超分辨率重建 102
6.5.1 图像降质模型 103
6.5.2 降质模糊函数估计 105
6.5.3 亚像素级全局运动估计方法 105
6.5.4 超分辨率重建算法 108
6.5.5 图像复原算法 112
6.5.6 超分辨率重建质量评价 113
6.6 三维重建 114
6.6.1 立体影像定向技术 114
6.6.2 影像密集匹配技术 115
参考文献 125
在线试读：
第1章 高分辨率视频卫星发展现状及趋势
经过30多年的发展，我国航天技术取得了巨大进步，已形成资源、气象、海洋、环境、国防系列等构成的对地观测遥感卫星体系。特别是在“高分辨率对地观测系统”国家科技重大专项建设的推动下，通过在平台传感器研制、多星组网、地面数据处理等方面的创新，我国遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、数据质量大幅提升，为我国现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重要领域提供了信息服务和决策支持。随着遥感应用的深入，应用需求已从定期的静态普查向实时动态监测方向发展，利用卫星对全球热点区域和目标进行持续监测，获取动态信息已经成为迫切需求。
由于视频卫星可获得一定时间范围内目标的时序影像，具备了对运动目标的持续监视能力，视频卫星成像技术已成为遥感卫星发展的一大热点。
1.1 国外高分辨率视频卫星发展现状
美国Skybox Imaging公司(2016年3月更名为Terra Bella)于2013年发射的米级分辨率视频卫星Skysat-1，是全球首颗能够拍摄全色高清视频的卫星。之后该公司于2014年又发射了Skysat-2，并计划建成由24颗小卫星组成的Skysat卫星星座。加拿大的UrtheCast公司，将视频相机安置在国际空间站上，可提供近实时的全彩色高清视频，实现了对地球表面的高动态监测，在环境监测、人道主义救助、社会活动以及农业土地等领域开展了业务。
1. Skysat系列
2013年11月21日，Skybox Imaging公司发射了全球首颗能够拍摄高清卫星视频的小卫星Skysat-1，卫星运行的太阳同步轨道高度为578km，标志着遥感20时代的到来；该公司于2014年7月8日发射了第二颗Skysat-2，卫星运行的太阳同步轨道高度为637km。Skysat是首*采用面阵传感器的米级分辨率对地观测卫星，重120kg左右，体积为60cm×60cm×95cm。装备安置了Ritchey-Chretien Cassegrain望远镜，反光镜由碳化硅材料制造，焦距为3.6m，其焦面由三个低噪声、高频率的5.5 megapixels CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)图像探测器组成，呈品字形排列，如图 1.1所示。每个CMOS的上半部分(PAN)用来拍摄全色视频，三个CMOS拼接影像尺寸可达到2560×2160像素(每个像素的物理尺寸为6.5μm)，影像覆盖范围约为2km×2km，采用JPEG 2000格式进行压缩并下传，下传率为450Mbit/s。同时采用数字TDI(digital time delay inteyral,Digital TDI)
技术进行地面图像处理，生成的标准视频产品影像分辨率达1.1m，每一帧大小尺寸为1920×1080像素，视频帧率为30帧/s，持续时间为90s。图1.2为Skysat拍摄的迪拜哈里法塔视频的其中一帧影像，能够清晰地看到天空中的飞机和地面行驶的汽车。
图1.1 Skysat焦面CMOS排列及结构
图1.2 Skysat哈里法塔单帧影像
2. UrtheCast
总部位于加拿大温哥华的UrtheCast公司，具有国际化的协作背景，它由英国、加拿大、俄罗斯三个参与了国际空间站建设的国家共同投资创设。2013年底和2014年初，UrtheCast将两台地球成像相机安置在国际空间站舱外的敏捷指向平台上，国际空间站运行在距离地球表面300多千米的轨道上，每天绕地球16圈，速度是26000km/h。安置的两台摄像机分别是一架名为Iris的高解析度照相机(分辨率为1.1m)以及一台名为Theia的中等解析度相机(分辨率为5.5m)，其中Iris可以拍摄并生产时长60s的高清全彩色视频，载荷具体参数如表1.1所示。UrtheCast视频产品参数如表1.2所示，Iris所拍摄的伦敦一帧影像如图1.3所示。
表1.1 Iris相机参数
表1.2 UrtheCast视频产品参数
图1.3 Iris相机拍摄的伦敦视频一帧影像
3. 美国MOIRE项目
MOIRE项目由美国鲍尔宇航技术公司为主承包商，负责光学系统设计、地面原理样机研制和测试，美国NeXolve材料公司负责衍射薄膜研制，美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)负责衍射镜研制。2014年5月，鲍尔宇航技术公司完成了两块分块镜和其衍射薄膜镜片支撑结果与展开链接结果的热真空测试工作，标志项目合同的完成。其业务型的实用系统由美国国家侦查局开发，整个业务成本5亿美元，光学系统采用菲涅尔波带片或者光子筛形式的主镜，口径达20m，发射时处于折叠状态，入轨后展开。系统可在静止轨道实现1m高分辨率，视场为10km×10km，成像帧率为1帧/s，实现对敌方军事目标的连续监视，将大幅提升对动态目标的监视能力。
4. GO-3S卫星
GO-3S卫星系欧洲静止轨道空间监视系统卫星，分辨率为3m，幅宽为100km，5帧/s的视频拍摄能力，设计装配4m口径光学成像系统，整个卫星质量约8t。GO-3S卫星共有三个视频工作模式，分别为快速连拍模式、持续视频模式和时延视频模式。阿斯特里姆公司正在寻求外部资金以启动项目，该公司已经向研发工作投资。投资于项目的国家将获得卫星的部分能力，还将获得卫星服务收益。目前该项目已经引起新加坡等国的兴趣，阿斯特里姆公司可能与新加坡进行技术合作和商业合作。阿斯特里姆公司2012年底完成了项目可行性分析，研发工作将在2013～2015年进行，计划2016年开始制造卫星，2020年正式运行卫星。
5. 印度尼西亚LAPAN卫星
印度尼西亚LAPAN-TUBSAT卫星质量为56kg，采用太阳同步轨道，高度635km。其有效载荷包括1台高分辨率摄像机和1台低分辨率摄像机。高分辨率摄像机主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用摄像机和尼康公司制造的1m焦距、f/11相对孔径的折射望远镜组成，空间分辨率为6m，幅宽为3.5km。DXC-990P由3个CCD组成，每个CCD像素数为752×582，像素尺寸为7μm。
印度尼西亚LAPAN-A2卫星平台尺寸47cm×50cm×36cm，在俯仰和滚动向可侧摆正负30°，发射质量76kg。卫星携带4个有效载荷，其中的视频相机与LAPAN-TUBSAT相同，还包括试验型空间数字相机、船舶自动识别系统和无线电通信载荷。
6. 南非“先锋卫星”
“先锋卫星”有个特殊工作模式，称为Viewfinder取景器模式，当卫星地面站可以访问卫星时，操作人员通过Viewfinder系统先发现感兴趣区域，然后通过姿态调整，同时调整成像仪对目标区域成像，该系统还可用于人工云判。Viewfinder系统包括1台宽视场视频相机，幅宽为120km；1台窄视场视频相机，分辨率为5～10m，幅宽为3～6km。该卫星具有4级前向运动补充机构，使得卫星对目标的扫描速度比卫星轨道速度慢4倍，在对目标进行连续观测的同时可以获得足够的光量，保证成像质量。