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美国航天地形测绘发展及影响

时间:2012-10-12浏览:责任编辑:四川拓图测绘仪器

航天地形测绘是指以人造地球卫星、宇宙飞船、航天飞机等航天器为工作平台,对地球表面所进行的遥感测量。以往的航天测绘由于其精度有限,一般只能制 作中、小比例尺地图。2000年2月11日上午11时44分,美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空,执行耗资3.64 亿美元,称之为“航天飞机雷达地形测绘使命(Shuttle Radar Topography Mission,简答称SRTM)”的空间飞行任务。此次航天测绘覆盖面积之广、采集数据量之大、精度之高在测绘史上是前所未有的。10天采集的全部原始 数据仅处理就约需两年的时间。数据经处理后最终所获取的全球数字高程模型(DEM),可以将美军现有的全球DEM精度提高约30倍。在美国对阿富汗战争 中,SRTM数据大显神威,在军事指挥、战场管理及各种武器制导等方面得到广泛应用,发挥了极大的作用。

专家认为,美国此次航天测绘是测绘科技发展史上的一个里程碑,将有可能从根本上改变传统的获取地形信息的手段和方式。它将确保美军在地理空间领域的信息优势。由于它在科学研究、民用以及军事领域具有及其重要的应用价值,因此引起了各国军界和传媒的广泛关注。

1、SRTM的发展背景

航天飞机雷达地形测绘任务是一项耗资十分巨大,技术十分复杂的计划。美国之所以不惜斥巨资实施该项目,从根本上讲是其谋求全球霸权战略的需要。同时技术上的突破以及组织结构的适时调整,也为顺利完成全球地形测绘使命提供了必要的条件。

2、确保信息优势和实施全球战略的需要

随着冷战的结束,美国的霸权地位日益巩固,已成为全世界唯一的超级大国。军事上,美国要继续凡固美军在全球的军事优势与军事存在,实现“全球到 达,全球作战”的战略目标,而高精度的全球数字高程模型正是保障实现这一目标的基础。2000年6月,美军在《2010联合构想》基础上制定的(2020 联合构想》中提到,到2020年,美国将面临着更广泛的利益、机会和挑战。因此需要一种以战争作为最后的手段,能有效提升美国利益的外交;需要一种既能赢 得战争也能争取和平的军事手段;需要一种既能保障外交也能保障军事手段的情报手段。首次阐述了要维护美军的信息优势,并以此实现战斗力倍增的发展思路。 SRTM生成的高程数据是构成地理空间信息基础框架的基础,而地理空间信息正是为军事规划、决策、指挥和军事作战提供共同参考框架的基础信息。可以 说,SRTM数据是维持美军信息优势基础的基础,是确保其信息优势不可或缺的重要组成部分。正因为如此,美国学者将负责组织完成这次航天测绘任务的国防部 国家测绘局(NIMA)称为“国家的眼睛”。

此外,目前美军越来越多的高技术武器对地理空间信息的依赖程度日益加深,因为要实现精确打击,提 高单位弹药的杀伤能力,必须依靠精度更高的地形信息。美军的目标是“努力以一个目标投放上百枚炸弹过渡到一枚炸弹击中一个目标”。而目前美军的全球数字高 程模型的分辨率是1000米,远远不能满足其作战需要。

3、航天雷达干涉测量技术的日益成熟

美国此次航天测绘采用的是最新合成孔径雷达干涉测量技术。合成孔径雷达属于一种主动式对地成像系筑,具有全天候、全天时工作能力,拥有传统光学 成像系筑所无法比拟的优点。20世纪60年代,科学家发现利用同一地区相邻雷达影像数据的相位差,经雷达干涉测量处理,可以直接、快速地提取地形高程数 据。但在上世纪90年代以前,由于不能精确测定平台的姿态与位置,所以这种测图技术未能普及。随著GPS导航定位技术的飞速发展,雷达干涉测量技术才逐步 发展成熟。

鉴于该项技术在军事上具有广泛的应用潜力,美国分别在1994年的4月和10月,利用航天飞机进行了两次称为“航天飞机成像雷达” 的雷达干涉测量试验,成功地获取了部分地区的地形高程数据。但由于采用的是重复轨道雷达影像数捐来进行干涉测量处理,致使获取的地形数据非常有限,不过这 为SRTM计划的顺利实施奠定了基础。

4、编制体制的调整为SRTM的实施提供了组织保证

早在1995年春,美国国家航空航天局(NASA)就开始与原国防制图局(DMA)协商合作实施SRTM计划,但当时由于国防制图局只负责制图 业务,而影像分析工作则由国家侦察局、中央情报局国家摄影情报中心、国防情报局的图像处等多个部门负责,致使协调困难,一直无法明确SRTM计划的牵头部 门。美国政府已经意识到,国防部与不属于国防部的情报用户对情报资源的偶然性竞争,距离危害只有一步之遥。因此国防部、参联会和中央情报局之间必须消除彼 此间或多个单位之间的分歧,诚心诚意、携手合作,致力于解决这个问题。于是,1996年10月1日,在原国防部制图局建制基础上合并了其他5个从事地图绘 制、图像处理和数据分发的单位,成立了新的国防部国家测绘局,理顺了图像处理、分析、管理、分发等6个环节的相互关系,强化了管理和投资力度,才使这项计 划得以顺利完成。

5、SRTM的主要硬软件组成及其功能

雷达干涉测量的基本原理是,两相邻雷达天线(其间距称为基线)分别接收到的同一地面点雷达回波号间会有一个相位差,而利用此相位差就可以计算出 地形高程。在SRTM计划实施之前,主要通过雷达卫星(如欧洲的ERS-1/2)重复轨道来获得同一地区的雷达干涉数据,但采用此种方法存在两个问题:一 是雷达干涉测量对基线的要求非常高,既不能太长(最好是300至400米),也不能太短,而且要求精确确定干涉基线的长度;二是由于相邻轨道的数据不是同 一时间获取的,导致相干性较低,有时无法进行干涉测量。因此,在SRTM突施之前,可用的数据非常有限。

与以往不同,SRTM是在航天飞机的 雷达系统上增加了一个长60米的可伸缩天线杆(即基线),并在天线杆的两端分别设置天线,同时接收同一地区的雷达回波信号,这样就自然形成了一个干涉测量 系统,而且基线长是已知的,都为60米,从而在全球首次实现了单轨通过(Single Pass)干涉测量,即航天飞机通过一次就能获取所通过地区的高精度地形数据。专家解释说,用两个雷达天线来测绘,就像人用两只眼睛看东西一样,一只眼睛 不能使人得到深度感,两只眼睛则能得到立体感,而以前只能通过重复轨道的干涉数据来获取地形数据,这在测绘技术上是一次重大突破。

6、SRTM的硬件主要由三部分组成,即主雷达、可伸缩天线杆和舱外雷达。

主雷达由两条天线和一台计算天线位置数据的姿态与轨道测定电子仪(AODA)组成。每条天线由能发射和接收雷达信号的特殊面板制作。第一条称作C波段天 线,可接收和发射波长为5.6厘米的雷达信号。第二条称作X波段天线,该天线可接收和发射波长为3厘米的雷达信号。这两种波段都曾在1994年的 SIR-C/XSAR试验中用于测绘和其他科学研究。

AODA的主要功能是测量天线杆长度、测姿与测轨。AODA由电子测距仪、觇标跟踪仪、 惯性导航仪、恒星跟踪仪及GPS接收机等5部分组成。电子测距仪利用舱外天线上的角反射器能非常精确地量测天线杆的长度,精度达到3毫米。觇标跟踪仪利用 舱外天线上的3根发光二极管(LED)觇标来量测舱外天线相对于主雷达天线的位置。恒星跟踪仪由高性能的相机、计算机和含有大量恒星目录的数据库组成,用 于确定SRTM相对于恒星的姿态及舱外雷达天线的相对运动。惯性导航仪可非常精确地量测姿态交化,所得数据与恒星跟踪仪得到的数据相结合,则可得到 SRTM相对于恒星的绝对方位,惯导数据可用于推求随时间变化的姿态。航天飞机上装有的两台与舱外GPS天线相连的GPS接收机,主要用于测定轨道。 AODA的测量精度为,基线3毫米,姿态9弧秒,位置1米。

舱外天线安装在天线杆的另一端,它由两条雷达天线(即C波段和X波段)、两条GPS天线、三根发光二极管(LED)觇标及角反射器组成。两条雷达天线仅接收雷达信号,雷达信号的发射由主天线来完成。

SRTM可伸缩杆属一种可展铰接式天线杆(ADAM),由87个立方形框式部件组成,直径为1.12米,重量为290千克,天线杆展开达60米。在航天 飞机起飞和着陆期间,天线杆装在一金属罐内。天线杆由装在金属罐内的马达驱动,以展开天线杆。航天飞机上的一名宇航员还可利用手持马达人工展开天线杆。

7、SRTM取得的主要成果

在美国2000年2月进行的“航天飞机雷达地形测绘使命”(SRTM)项目实施过程中,“奋进”号上搭载的SRTM系统,共计进行了222小时 23分钟的数据采集工作,获取的雷达影像数据达9.8万亿字节,存满了332盒高密度磁带,覆盖了全球80%以上的陆地表面,覆盖范围在北纬60度至南纬 56度之间,覆盖面积超过1.19亿平方公里。在计划测绘的地区中,有99.968%被一次覆盖,94.59%两次,49.25%三次,24.1%四次, 美国本土有部分地区未被覆盖,而中国被多次覆盖。这次航天测绘最终所采集的是以地心坐标系为基础的数据,其传感器、处理方法、影像分辨率、采集时间都是一 致的。因此,它第一次解决了陆、海以及世界各地之间地形数据的统一问题。这些原始数据经过两年左右的处理后,可绘制成高精度的全球三维地形图,其精度超过 美军现有地图的30倍。

经过美国国防部国家测绘局(NIMA)处理后,SRTM的数字产品类型主要包括:

  • Level-2地形 高程数据集。数字商程数据是在任务中通过C波段数据采集而产生的。每一个数据点代表一个高程点,水平基准面是WGS84椭球模型。绝对水平和高程精度分别 为20米和16米;范围为经5度×纬5度;高程数据间隔为1弧秒,约30米。对要求以数字格式提供地表、坡度、高程及其它地形起伏的任何军事行动或系统来 说,Level-2是最基本的高精度高程数据源,其所包含的信息内容相当于1∶5万比例尺地形图。
  • 带状正射纠正图像数据集。是在地形处理器中干涉产生的,每一个数据系统由舱内天线数据产生,采样间距为15米×15米;单个文件的覆盖区域为60千米×450—4500千米。最后移交给NTMA进行镶嵌。
  • 随机高程误差数据集。包括对Level-2地形高程数据系列高程测量的随机误差估计(米级)。
  • 系统高程误差模型。包括一个对作为后飞行核实工作测定的高程误差的非随机内容的评估。
  • 最终检核报告及全球高程误差模型。包括误差估计算法和全球误差特征等相关文献。它通过对长波长误差的评估,改进系统高程误差模型。
  • 数字高程图像产品。

以上产品,无论是数字影像还是数字高程数据,均由美国国防部控制,不对公众提供。但在此之前由NIMA生产的90米分辨率Level-2数字高程数据则可向公众提供使用。

8、SRTM数据的应用前景

SRTM数据具有可计算及可视化功能,在各个领域的应用前景十分广阔,主要体现在: 军事上。首先,SRTM数据是C4ISR(军队指挥自动化系统,包括指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察)的基础信息平台,在研究战场地域结构、 作战方向、战场预设、作战部署、兵力集结与投送、防护条件、后勤保障等方面是必不可少的。利用可视化技术,右直接在屏幕上显示战场的通视、通行情况,也可 自动选择空(机)降地域,从而为作战指挥人员提供辅助决策。其次,在导航和武器系统的开发中SRTM数据将是最常用的基础保障,任何精密导航系统都存在着 一个潜在的问题,那就是它所使用的地图的精度。第三,越来越多的武器将使用高精度数字地图和影像数据进行精确打击。包括联合防区外武器(JSOW)、联合 空对地远程导弹(JASSM)以及“战斧”式巡航导弹药等先进制导武器,都装有高精度数字高程数据和目标影像。数字高程数据用于导弹飞行中的地形匹配制 导;数字影像则用于导弹的末制导,在导弹到达目标区后,存储在导弹里的目标影像与实地目标影像对照,进行直接攻击。

在科学研究上SRTM数据在地质学、地球物理学、地震研究、水平建模、火山监控以及遥感图像的配准等到方面都有十分重要的作用。利用高精度数字地形高程数据建立地面的三维立体模型,与地面的影像镶嵌叠加,可以观测到地球表面的细微变化。

在民用及工业应用上,SRTM数据可用于土木工程量的计算、水库坝址的选定、土地利用规划等;在通讯方面,数字地形数据可以帮助商家建造更好的转播塔, 研判移动电话亭的最佳地理位置;在航空安全方面,利用SRTM数字高程数据可以建立增强型飞机着陆报警系统,大大提高了飞机着陆的安全系数。

9、SRTM将产生的影响

美国此次利用航天飞机干涉雷达系统,仅用不到10天的时间景成功地获取了全球80%陆地区域的高分辨率地形数据,而利用常规技术要得到相当的数 据,则需数十年的时间。就测绘本身来讲,此次航天测绘在技术上取得了跨越式的理步,并将从根本上改变传统的测绘手段。同时由于SRTM数据在各个领域具有 广泛而重要的应用价值,因此,该计划的顺利实施同仅在测绘科技史上具有重要的影响,而且对整个国际社会21世际的地理空间信息发展战略将产生深远的影响。

  • 首先,SRTM计划的顺利完成,确保了美国的信息优势地位,拉大了其他国家与美国在地理空间信息的差距,为加速美国数字地球和数字化战场的建设,实现“单向透明”,保障美军在全球任何地方打赢高技术战争,做好了军事测绘保障方面的准备工作。
  • 其次,SRTM项目的顺利完成将给美国带来巨大的战略和商业利益。一方面,美国通过此次航天测绘达到了控制全球地理信息与资源的目的,从而在技术上收到 了恐吓和威慑的效果。另一方面,尽管目前SRTM数据还不对外公开,不过,美国军方已宣称央一些地区,30米分辨率数据经过审查可以提供给民用目的研究人 员。另外,90米分辨率数据可以出售,因为它比目前所使用的地图的精度还要好。目前世界多数国家都希望得到相关的SRTM数据,以便用于科学研究或其他目 的,这对美国来说是一笔巨大的财富。
  • 第三,世界各国的地理空间信处息安全受到考验。美国SRTM计划的完成,事实上已经在全球范围内打响了信 息战,实施航天测绘实质上是信息侵略,是在高空1000千米以上“合法”的国际空间进行的“合法”作业。应当认识到,美国已经够用这种“合法”的手段,得 到它过去用非法入侵手段得不到的东西,这对世界各国的地理空间信息安全提出了严峻的考验,如何应对这种“合法”的信息侵略是一个值得关注的问题。

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