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遥感卫星超分辨率技术研究 遥感卫星超分辨率技术研究周春平吴胜利石宇（?京市遥感信息研究所，?京安定门外外馆街号）摘要卫星图象的空间分辨率是衡?卫星遥感能?的一项主要指标，也是衡?一个国家航天遥感水平的重要标志，追求?高的分辨率己成为各国卫星的发展目标。 超分辨率技术在可见光遥感和红外遥感领域的实际应用，将会提高卫星的空间分辨率，也可以在保持卫星分辨率的条件下，缩小光学仪器的焦距，使卫星相机小型化，减小其体积和重?。 本文从遥感应用的角度出发，讨论了超分辨率技术研究对我国遥感卫星提高分辨率的现实意义，简单说明了超分辨率的概念，论述了卫星遥感超分辨率研究的技术?论和和应用的国内外现状，重点突出了卫星采样模式的研究，提出了国内该项技术研究目前存在的?足和发展趋势。 关键词，卫星成像，空间分辨率，超分辨率，图像重建超分辨率技术研究的现实意义卫星图象的空间分辨率是衡?卫星遥感能?的一项主要指标，也是衡?一个国家航天遥感水平的重要标志。 提高卫星空间分辨率已成为卫星工程技术研究的前沿，超分辨率（）技术就是其中提高卫星图像空间分辨率技术之一。 ?么是超分辨率技术认为，试图复原衍射极限之外信息的复原技术叫作超分辨率技术，一般使用带限函数外推方法。 超分辨率技术的核心是图像的分辨率由低变高，因此，我们认为，以地物的物?特性为基础，从低分辨率图像得到高分辨率图像的图像重建技术叫作超分辨率技术。 超分辨率技术的实现途径很多，?论是采用“过采样”（）技术，还是采用的“甚高分辨率”（）技术，或是“亚像元”（）技术都是实现超分辨率技术的具体途径。 为?么要应用超分辨率技术由于常规提高卫星图像空间分辨率技术的局限性，超分辨率技术的研究与应用才得到了发展。 我们知道，星载光学成像系统有两种类型，一种是线阵推扫式（）扫描成像系统，另一种是面阵成像系统，在象平面上一般采用线阵或面阵的电子偶合器件。 对距离为的空间平面上物体所形成的一帧图像，在忽略光学系统非线性畸变和噪声干扰影响的条件下，其空间分辨率可以表示为式中，为器件阵元宽度，为光学系统的焦距。 显然，空间分辨率与器件阵元宽度及距离成正比，与相机焦距成反比。 也就是说，提高卫星空间分辨率的途径有三种，一种是降低卫星飞?轨道高度，如美国地球观测公司的“快鸟”（）卫星，它的工作轨道高度由原计划的公?降低到公?后，分辨率由原来的米提高到米，多谱段分辨率由原来的米提高到米。 其缺点是卫星的使用寿命会缩短。 在轨道高度一定的条件下，要想提高成像卫星图像的空间分辨率，最赢接的方法就是增大光学系统的焦距或缩小器件阵元宽度。 焦距增大会使得光学零件的加工难度增大，费用增高，导致遥感器的体积大、重?重等一系列难题。 器件方面，由于国外的技术封锁，目前我们可以得到用于卫星相机的孔径仅为（资源号），而法国为。 同时，孔径太小，?但制造工艺困难，信噪比降低，而且图像信号的频带过宽，在空域一定的情况下数据?也过大，给图像传输造成一定困难。 那么，怎样在器件阵元宽度、相机焦距和距离一定的条件下提高空间分辨率。 超分辨率技术就是最好的方法之一。 超分辨率技术的发展现状超分辨率技术经历了单幅图像的超分辨率复原、多幅图像的超分辨率重建和星一地结合的超分辨率工程实现三个阶段单幅图像的超分辨率复原这一技术指的是应用单幅图像，复原图像衍射极限之外信息，从而提高图像的空间分辨率。 应用的方法包括解析延?，方法，能?连续降解方法，长椭球波函数方法，线性均方外推方法，叠加正弦模板等方法。 这类方法在实际操作中存在两个障碍一是成像的点扩展函数?能精确知道，二是该方法对噪声十分敏感。 这样就?可能得带内的?想频谱也就?可能进?原图像的正确重构。 这类方法的缺点还在于它未给出从多幅图像来获取?多信息的手段，实际应用的可能性较差，因此，和称此为“超分辨率神话（）”。 针对以上问题，我们对单幅可见光卫星图像超分辨率研究进?了大?的调研工作，提出了基于权重分析的混合像元四叉树分解和基于边缘检测的混合像元四叉树分解两种方法，来达到提高图像空间分辨率的目的。 人地物的图像空间分辨率可以提高倍。 多幅图像的超分辨率重建这一技术指的是应用多幅低分辨率遥感图像，以一定的数学方法（包括空间域和频率域）进?图像重建，从而得到一幅高空间分辨率遥感图像的技术。 国内研究情况科学院遥感所的郝鹏威在徐冠华教授和朱重光教授的指导下，作了卓有成效的工作，他从分辨率低的欠采样图像会导致相应频率域频谱混叠的?论出发，给出了多次欠采样图像在频率域混叠的?一般公式，并给出一种针对?同分辨率图像解频谱混叠的逐?迭代方法。 同时进?了计算机仿真实验，证明了他的方法在有噪声的情形下也有很好的收敛性。 之后，我们研究了在基于数字图像欠采样引起空间分辨率降低的假设下，建立在信号采样?论基础上的，种图像信号重构方法（）基于样条小波变换的多幅图像信息累积图像插值重构方法（）基于空间变化点扩展函数的凸集投影变权迭代图像重构算法；（）基于频域解混频原?的图像融合算法；（）空间点扩展函数图像复原放大。 实验结果证明，这些方法可以提高卫星的空间分辨率。 ?京大学、清华大学、?京?大学和哈尔滨工业大学也在这方面作了一定的研究作。 国外研究情况国外的研究主要可以分为三火类代数插值方法、空间域迭代方法和频域解混叠方法。 代数插值方法如果原图像足够光滑，从采样的数字图像通过插值可以重构原图像，也就可以改善其空间分辨率状况了。 这类方法实质上是一种根据邻近已知像元来估计欲求像元值的代数插值方法。 从单幅图像重构插值问题是一个简单的采样重构问题。 高于频率的过采样可通过与函数的卷积来完全重构，而低于频率的欠采样则?能。 和（）研究了从多幅图像插值重构原图像的问题。 他们根据（）的非均匀采样?论给出了一种利刚包括函数在内的插值基函数进?插值的方法。 该方法未考虑辐射亮度差异和噪声混入等问题，它还要求采样图像的数目?宜太多、采样图像大小相同、严格的等间隔采样以及图像之间像元的相对位移严格掌握等。 采样的样本数增加，插值重构原信号的误差就会随之降低。 但这些方法的主要困难还在于诸多的?确定性，如辐射亮度差异、像元相对位移?确定、存在随机噪声等等。 。 空间域迭代方法这类方法也是在空间域对数字图像进?插值的基础上模拟采样并逐步修正迭代进?的。 等人（）用模拟采样方法和模拟退火算法迭代进?空间分辨率的改善，即对初始估计的第一个像元值进?上下浮动，并通过模拟采样来计算这种浮动对误差的影响来决定上下浮动的最佳方式。 这种算法收敛速度并?想，而且收敛的结果受迭代的初始估计的影响很大，这种方法针对的是采样图像的大小或图像空间分辨率全相同的图像。 等人（）给出用凸集投影（，）方法进?干图像采样间隔完全相同及样本图像之间相对位移准确知道情形下的空间分辨纺改善的研究。 其文章的主要特点有（）利用每一次迭代对每一个采样点值的误差容限来定义凸集（）给出了相同采样间隔的图像频率域频谱混叠的形式，但未抽象出频谱混叠矩阵（）考虑了算法在空间变化情况下的适应性。 等人（）给出基于凸集投影（）方法进?干低分辨率图像重建高分辨率图像的研究。 该算法考虑了传感器硬件的噪声和由于传感器和成像目标之间相对运动而的模糊（）。 所有这些方法均未考虑样本为非均匀采样及各图像样本之间存在的空间分辨率差异和辐射亮度差异等?一般性的问题。 等（）】在充分研究图像成像过程，建立了成像数学模型（），在此基础上，应用成本函数（）最优化方法，从多幅经旋转和平移的低分辨率图像序列重建一幅高分辨率图像。 该算法鲁棒性（）强，抗噪声能?好，在美国机载红外成像系统中得到了成功应用。 频域解混叠方法如单独一同数字图像是欠采样的，它就?能用代数插值方法进?重构，因为信号的欠采样会使信号在对应频域内发生频谱的混叠（）。 但是，如果能通过多幅图像的频谱解开这些混叠，或者使混叠频谱的混入部分权重降低就可以减轻混叠程度，对应空间域图像的空间分辨率自然就改善了。 和?是这一方法的首创者。 ?他们首先提出用多幅欠采样图象来提高图象的空间分辨率的设想。 他们希望通过数学模型对同一地区，?同时相的一组遥感图象进?数据融合处?，从而得到一幅能提供?加详细信息的高分辨率遥感图象。 他们采用的模型为图象无噪声、无退化和空间分辨率大小完全相同的图象采样模型，并用频谱混叠方式给出了一个解混叠的方法。 在此基础上，、等人又研究了混入噪声和图象有模糊退化情形下的模型，并给出了加权迭代法和正则化迭代法两种解混叠的方法。 和等人（）】采用了总体最小二乘法来解决有噪声情形下的空间分辨率提高问题。 但这些方法都是基于各幅数字图像的空间分辨率完全相同，而各幅图像之间存在一定的相对位移的假设。 采用图像?未经配准，则必须预先进?配准和几何纠正，以使它们达到图像大小相同或近似的空间分辨率相同。 无疑，经过儿何纠正的图像肯定会引入一些?正确的信息。 由于这些方法是建立在信号欠采样的间隔完全相同的基础上，因此，这些方法的一个共同的特点是整个信号频谱的混叠公式可以分解为一个个互?相关的小议程组进?求解，只是求解的方法各有差异。 这类方法的困难还在于频谱无限雨诸多的?确定性。 ?论技术研究和一程应州的著距?论是国内还是垂，以上的研究只是学术探讨，?具备工程实施和日常生产作业的基础，主要原因如一多幅遥感图像数据融合提高分辨率的前提是图像之间的配准，目前存在的问题是计算鬣大，配准精度?高，?能满足实际程和生产的应用数据源?足，同一地区有时有多幅图像，有时没有，?能满足生产需求；由于同一地区多幅遥感图像的几何位置相互关系?同定，分辨率提高的程度很难确定因图像配准和何校正的精度?高，会产生虚假图像信息；作业复杂，自动化程度低，?适宜进?程化。 星一地结合的超分辨率工程实现正是要解决以上的问题和?足，需要研究“星地结合提高分辨率模式”，将两排或多排按一定的结构置于同卫星相机的焦平面上，得到两幅或多幅具有一定差别的图像，?需要做图像配准和几何校正，即可在地面进?图像重建，得到一幅高分辨率图像。 这是超分辨率技术由学术研究！钮工程实施迈进的关键一步。 国内研究情况国内，西安光机研究所的刘新平等人也进?了这方面的研究，对幅相同空间分辨率的图像进?图像重建后，新的空间分辨率是原图的倍左右。 所的乌崇德和周峰以及?京大学遥感与地?信息系统研究所的陈秀万利马佳也进?了研究，取得了一定的成果。 我们推演出针对性、可用性较强的图像重建算法种，部分算法已申请发明专利。 国外工程应用情况提高空间分辨率技术现状据?月的（报道，法国将把一种新的图像融合技术应用于?发射的“”卫星，这种技术是在地面上将两幅米分辨率、同时相的“”卫星图像进?融合处?，获得米的高分辨率图像。 法国官员称，法国航天主管部门国家航天研究中心已将此项技术在世界范围内申请了专利保护。 其他卫星提高空间分辨率技术相关情况据?月的（报道，空间分辨率为米的第二代“艾科诺斯”卫星将采用与空间分辨率为米的第一代“艾科诺斯”卫星相同的基础平台，分辨率提高的原因除了运?轨道降低外，采川了一种经过改进的相机。 我们估计，相机可能采用超分辨率模式来提高分辨率。 据?月的（报道，以色列的进入建造阶段，分辨率为米，预计?发射。 成像卫星国际公司首席执?官雅各布?韦斯说，是“一颗极为先进的卫星”，其分辨率能达到米，采用“过采样”（）则能达到米。 该公司的一位高级官员解释说，目前，当卫星拍摄图像时，?想提高分辨率，公司?采川“过采样”法。 该方法一是需要降低成像速度，二是需要特殊软件。 卫星被设计得能够以米到略优于米分辨率拍摄图像。 这位官员在?月目的记者会上说，为了提高卫星的图像分辨率，除了采用过采样方法以外，公司还将保留另一种选择方案将卫星的轨道高度从原计划的公?降低到?足公?。 其结果会带来卫星寿命短和成像带宽减小的负面影响。 超分辨率技术在航测相机和普通相机中的应用莱卡公司生产的机载航测数字相机应用超分辨率技术使得空间分辨率提高倍。 普通相机方面，系列高分辨率数字相机采用日本公司的，来提高其空间分辨率。 该技术将面状设计成正八边形的蜂窝结构，其比方形提高。 星一地结合的超分辨率技术应用的优点超分辨率技术的实现通常是在传输型扫描卫星的星载相机上通过多排的错位，然后进?地面数据重建来实现的。 这样的系统结构具有以下的优点（）在光学系统基本?变的前提下，在孔径受限制的条件下，提高了卫星图像的空间分辨率；（）具有同时获得?同分辨率卫星图像的功能，可以适应?同的应用需求（）有助于卫星实现体积小、重?轻、成本低的特点，对空间光学遥感器和小卫星的相关作将产生很大的推进作用。 星一地结合的卫星图像获取模式星一地结合的超分辨率程实现关键技术有两条首先是通过硬件设计改进星上相机成像方式，其次是地面图像重建的数学模型和算法。 到目前为此，的采样模式可以分为三种常规模式采样、高模式采样和超模式采样。 常规模式采样目前，光学传输卫星一般基于推帚式探测原?作成的空间遥感仪器，线阵列在垂直于卫星飞?轨道的方向上逐?获取图象，同时通过卫星的在轨运动来产生轨道方向上的纵向位移。 根据传统的推帚式探测原?，放在望远镜焦面上的线阵探测器在积分时间内进?一次线扫描，在此期间内入射光子产生电子，通过电子学系统这些电子转换成电压。 一个积分时间后，这个模拟信号被采样并且被?化成一定由模数转换器确定的比特数，这样线阵的每一个像元得到一个和进入望远镜的辐射强度成正比的数值。 同时和线阵垂直的卫星在轨运动使卫星能够进?连续的扫描。 采样时间（这?和积分时间相等）选取要合适，这样以?子卫星点的运动速度和采样时间的乘积等于投影在地面上的线阵像元尺寸，从而可得到一个正方形，也就是一正交的采样网格。 这样由像元尺寸给定的线阵方向上的采样间隔和卫星速度方向上的采样间隔是相等的。 以为例，如果在星下点观测，由于下述观测特点的原因，常规的全色波段探测模式产生一边长为米的正交网格。 高模式（）采样以基本模式采样为米米为例，如图，高模式采样是在卫星飞?方向等分采样时间，因此积分时间除，是基本模式的一半在垂直于卫星飞?方向，两线阵相差半个像元（），那么每一个线阵列将产生一幅与沿?向采样间隔为米，沿列向采样间隔为米的矩形网格相对应的图象。 阵列星飞?方向阵列图高模式示意图超模式（）采样如图所示，超模式排列为所使用的原始采样时间和基本模式一样，是高模式的倍，形成米米正方形采样网格。 每一个线阵列产生一幅传统图象，这两个米的正方形网格在?、歹方向上都偏移米。 阵列卫星飞?方向阵列图超模式示意图高模式采样和超模式采样的比较高模式和超模式相比，超模式数据最小，是高模式的一半，有利于数据传输同时超模式保持基本模式的采样时间，得到的信噪比和和传统模式相同，但是高模式意味着积分时间除，因此信噪比要减少。 因此，法国人【把两种模式经比较权衡后，认为采用超模式要好，就是采用了超模式。 我们用发展的观点，分析了两种模式的优缺点。 结论是结合实际的应用和目前软硬件的现状，高模式?好，原因如下，希望能和大家充分讨论法国国家宇航中心（）关于采用超模式的研究是从?开始的，考虑的是当时的卫壹星图像数据获得、存储、传输的硬件条件，?过后，相关软硬件发展很快，当?认为是困难的这些问题已逐步得到解决。 高模式可达到的?论最高分辨率是基本模式的倍，而超模式可达到的?论最高分辨率是基本模式的倍。 以为例，基本模式为米，高模式?论最高分辨率为米，超模式?论最高分辨率为（）米。 超模式数据?小，是高模式的一半，有利于数据传输，但由于数据压缩技术和数据传输软硬件的发展，超模式的这一优势将?再突出。 高模式意味着积分时间除，因此信噪比要减少，超模式却?变。 我们目前认为为了提高分辨率可以在有些方面应用可以牺牲信噪比。 高模式的图像重建模型比超模式的简单，有益于将来在星上通过硬件直接进?图像重建。 高模式的比超模式的好。 高模式沿轴的和超模式情形相比会增加。 结论与展望实践证明，在传输型扫描卫星的星载相机上通过多排的错位，同时进?地面数据重建，来提高图像空间分辨率的?论是可?的。 要将这一技术运用于实际工程之中，还有一些关键技术需要研究解决，从目前看，主要是解决星上的硬件排列和地面的图像重建问题，国内在这方面已有了一定的研究基础。 国内超分辨率研究的?足纵观超分辨率的国内研究现状，?足之处在于经费渠道较多，研究单位较多，许多已有定论的研究仍由?同的单位进?低水平重复，浪费了国家的财?和物?。 有些研究，目标?明确，思?清楚，缺乏坚实的?论基础，甚至?论上都是错误的。 很难应用于建设之中。 超分辨率研究的方向?京市遥感信息研究所从?开始进?遥感图像超分辨率方面的研究，完成了多项科研课题，涉及单幅图像的超分辨率复原、多幡图像的超分辨率重建和星一地结合的超分辨率研究多个方面，部分技术中请了国防发明专利，取得了超分辨率研究的系列化成果。 我们认为，今后卫星遥感超分辨率研究的方向是应用超分辨率?论星一地结合提高可见光图像的空间分辨率。 在研究中，我们提出了“斜模式”采样的?论方法，使得超分辨率的?论?于工程实现，相关内容会在其它文章中进?专门论述。 应用超分辨率?论屎一地结合提高红外图像的空间分辨率。 我们提出了红外高模式和超模式的实现方法，井对红外图像地面重建方法进?了比较研究。 应用超分辨率?论星一地结合提高图像的空间分辨率。 这是我们对超分辨率研究的个大胆幻想，其研究内容并?是通常所研究的频谱解析延?，而是包括天线改造、地面图像重建等的非常规研究。 如果能实现，将对的分辨率提高将是革命性突破。 参考文献，。 ，（）凹，（），丑晒，。 ，郝鹏威，数字图像空间分辨率改善的方法研究，中国科学院遥感应用研究所博士学位论文，?月，“”，（）刘新平，高瞻，邓?茂等，面阵作探测器的“亚像元”成像方法及实验，科学通报，（），（）刘新平，高英俊，鲁召等，遥感器小型化技术研究，遥感技术与麻用。 ，（），。 。 一周春，越，吴胜利。 一种提高成像卫星空间分辨率的方法研究。 首届全国航天学术研讨会。 ?月。 马佳，周春平，陈秀万。 綦于梅花采样的遥感图像重建方法研究。 中国遥感奋进创新二十?学术研讨会。 ?月。 周眷越等。 遥感星超分辨牢技术研究。 技术科学论坛?学术报告会论文集。 中国科学院技术科学部，?月，?京。 周春平，【越等。 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