换个角度看世界——光学遥感卫星的倾斜(Off-Nadir)拍摄

一般光学遥感卫星拍摄地表时都是从太空俯视(垂直)采集图像，是头顶视角。也正因为遥感卫星的高度、独特的头顶视角和宽阔的视野，国外也称其为“上帝之眼”。遥感卫星与我们人类日常观测世界的角度不一样，扩展了人类感知世界的能力。

但实际上，光学遥感卫星完全垂直的拍摄，只有在图像的星下点(nadir)才能实现，这是一种理想状况，正常垂直拍摄的遥感图像，除了星下点，其他位置的像元都有一定的倾斜角度。同时，遥感卫星或传感器本身根据任务需会转动一定的角度以倾斜拍摄地表。接下来，简单说明一下什么是倾斜拍摄及其优缺点，也顺便和大家分享一些遥感卫星大倾角拍摄的令人惊叹的人类视角图像。

倾斜拍摄也称为偏离天底点(Off-Nadir)或侧视(Side-Looking) 拍摄，这是相对星下点和垂直拍摄而言的。衡量光学遥感卫星倾斜拍摄角度的专业术语是天底偏角(Off-Nadir Angel, ONA)，天底偏角(ONA)是指卫星正下方的点与被观测的地球表面目标点之间的夹角(见图1)。

图1 天底偏角(ONA)示意图(引自EUSI)

图2是高分辨率光学遥感卫星不同天底偏角(ONA)拍摄的图像对比，该图像所在地理位置是法国巴黎，图像中央可以看到巴黎标志性建筑埃菲尔铁塔。图2动图的5张图像ONA角度分别为6°、10°、22°、33°和44°，6°图像近似于垂直拍摄，只能看到埃菲尔铁塔的顶部，其它ONA角度图像可以看到埃菲尔铁塔的不同侧面。

图2 高分辨率光学遥感卫星不同天底偏角拍摄的图像对比(引自EUSI)

商业高分辨率光学遥感卫星一般都具有较强的倾斜拍摄能力，大的天底偏角(ONA)提升了卫星拍摄的重访效率，但同时ONA的大小也会影响光学遥感卫星图像的质量和目标特征，光学遥感卫星倾斜拍摄的优缺点总结如下：

（一）降低图像清晰度和空间分辨率

角度越大离拍摄目标越远，降低了图像空间分辨率。Worldview-3卫星拍摄ONA为0°时图像空间分辨率是30厘米，当ONA为30°时分辨率降到了约40厘米；同时角度大离目标远，光路更长，受大气影响也更大，图3的大ONA图像出现较明显噪点。

图3 高分辨率光学遥感卫星大天底偏角拍摄的火箭发射场(引自EUSI)

（二）加大图像几何形变和失真

ONA角度越大，图像内部畸变就会越大，同时导致图像的几何精度变差。

（三）更多的地物被遮挡

有高度的人工建筑物和山体会遮挡更多的地面物体，导致完全获取不到被遮挡物的信息。

（一）提高用户拍摄的响应效率

大的ONA可以增大拍摄区域，降低重访时间；例如高分一号卫星2米分辨率的图像正常拍摄目标重访周期为41天，如果ONA为35°拍摄重访时间为4天。

（二）多角度图像可创建地表三维模型(见图4)

生成数字高程模型(DEM)需要拍摄至少2个角度的遥感图像，其中必须要有倾斜拍摄的图像，对目标拍摄3个、5个、7个甚至更多角度的遥感图像可以创建更精细的实景三维模型。

图4 基于多角度卫星图像的地表实景三维构建 (引自Kitware)

（三）获取目标更多识别特征

不同建筑物从顶部看，都是类似的几何形状，区分度有限，从侧面看可以看到建筑物的其它特征，如窗户和不同纹理颜色的外立面(见图5)。

图5 高分辨率光学遥感卫星大天底偏角拍摄的上海陆家嘴区域 (来自Planet)

（四）消除太阳耀光(Sun Glint)

当从金属表面、玻璃或水体反射的太阳光与遥感卫星观测角度相同时，就会出现太阳耀光，看起来像明亮的眩光或模糊的光条纹(见图6)，会模糊或掩盖图像特征，降低遥感图像的信息量。通过调整ONA可以减少或避免遥感图像中的太阳耀光。

图6 光学遥感卫星图像上的耀光(来自ESA)

以下是几张大ONA角光学遥感卫星图像，看上去像人在飞机上或远处的高山上平视形成的场景图像。

图7 高分辨率光学遥感卫星大天底偏角拍摄菲茨罗伊峰(来自Planet)

图8 高分辨率光学遥感卫星大天底偏角拍摄菲茨罗伊峰(来自Planet)

图9完全不像是卫星拍摄的日本富士山图像，几乎平视的角度，如果从富士山的角度看拍摄的卫星仅在地平线上3°。

图9 高分辨率光学遥感卫星大天底偏角拍摄日本富士山(来自EUSI)

一般情况下，光学遥感卫星都采用头顶(垂直)观测，但倾斜观测也有其用途，比如增强拍摄的时效性和获取立体像对创建三维模型等。当前高分辨率商业光学遥感卫星的敏捷性是卫星能力的一个重要指标，主流高分商业遥感卫星都具有较强的倾斜拍摄能力，一般最大的天底偏角(ONA)都超过30°。高分辨率商业光学遥感卫星昴宿星(Pleiades)就具备强大的多角度拍摄能力，最大的ONA为47°，每过境一次最多可以拍30次同一位置图像。倾斜拍摄有利有弊，应根据任务需要权衡取舍最终的ONA角度。

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