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行業動態

我國陸地遙感衛星發展現狀與展望

來源:本站   發布時間: 2023-11-09 14:35:13   瀏覽:93次  字號: [大] [中] [小]

一、引言

從20世紀90年代末至今,我國陸地遙感衛星事業歷經二十多年,實現了從無到有、從小到大、從弱到強的跨越發展。隨著高分辨率對地觀測系統重大專項(高分專項)、《陸海觀測衛星業務發展規劃(2011—2020年)》(陸海衛星規劃)和《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃(2015—2025年)》(空基規劃)的全面實施,我國衛星遙感技術突飛猛進,與各種新技術相互融合,進入了高質量發展的新階段。新型傳感器不斷涌現,各項觀測指標大幅提升,逐步實現了由單一光學傳感器向多類傳感器、由單系列向多系列遙感衛星、由中分辨率向高中分辨率結合的轉變,實現了由科研試驗型轉向業務應用型,由主要技術跟蹤國外轉向自主創新、由依賴國外數據轉向自主獲取。

目前,我國已初步形成多傳感器、多分辨率、多比例尺立體測圖的業務化穩定運行的陸地遙感衛星觀測網,在自然資源、生態環境、應急管理等多個行業領域應用成效顯著,成為推進國家治理體系和治理能力現代化的重要技術支撐,在維護國家陸海權益、把握國際競爭領域主動權等方面也發揮了積極作用。

二、我國陸地遙感衛星發展歷程

無論從遙感衛星數量還是遙感應用規模,我國都已躋身世界遙感大國;厮菸覈懙剡b感衛星的發展特點,大致可以分為兩個階段。

1.初步探索階段

2010年以前,我國衛星以技術試驗性單星為主,在驗證關鍵技術的同時,探索遙感應用。1999年10月,由我國和巴西共同投資、聯合研制的中巴地球資源衛星01星(CBERS-01)成功發射,結束了我國沒有陸地資源衛星的歷史,標志著我國陸地遙感衛星發展進入探索階段。隨后,中巴地球資源衛星02星(CBERS-02)、中巴地球資源衛星02B星(CBERS-02B)分別于2003年10月、2007年9月成功發射。雖然獲取了大量數據,但受經濟、技術等條件限制,數據應用程度不高,對國外數據的替代作用有限。

2.快速發展階段

2010年以來,隨著高分專項、陸海衛星規劃、空基規劃的全面實施,我國陸地遙感衛星迎來蓬勃發展期,帶動了衛星數量和質量“雙提升”,實現了從依靠國外到自主發展的根本轉變。一是由科研試驗型向業務應用型轉變,2011年成功發射的資源一號02C星(ZY-1-02C),開創了我國陸地遙感衛星業務化應用的先河;二是有效載荷由單一光學向光學(立體)、激光、高光譜、雷達、熱紅外等拓展,觀測要素更豐富,分辨率和精度更高,數據應用場景和深度進一步擴大;三是遙感衛星由單系列向多系列發展,形成了“資源”“測繪”“高分”“環境”“減災”等系列陸地遙感衛星;四是工作模式由單星工作向多星組網、多網協同轉變,形成了陸地高分辨率(2m光學平面/立體、亞米光學平面/立體)、陸地中分辨率(高光譜)、合成孔徑雷達(SAR)三型衛星星座,具備1:50000~1:10000立體測圖能力和全國陸域地表變化監測能力,自主衛星觀測及有效覆蓋能力大幅提升,應用優勢得到顯著發揮。國產衛星米級、亞米級分辨率數據逐步替代進口數據,其中2m和16m分辨率數據已實現對國外同類衛星數據的完全替代。

如表1所示,截至2022年6月,由國家直接投資的在軌民用陸地遙感衛星數量達到21顆,其中自然資源部作為牽頭主用戶的有18顆(含3顆海陸兼顧衛星),基本建成多尺度、多載荷要素觀測、業務化穩定運行的對地觀測衛星體系。

表1 我國陸地遙感衛星發射及在軌情況表

三、我國陸地遙感衛星發展現狀

1.光學衛星

我國光學衛星發展時間較長,技術較為成熟。目前,在軌的2米級光學衛星以資源一號02C星、高分一號衛星(GF-1)、2米/8米光學衛星星座(GF-1B/C/D)、高分六號衛星(GF-6)、中巴地球資源04A星(CBERS-04A)等為典型代表,亞米級光學衛星以高分二號衛星(GF-2)、高分多模綜合成像衛星(GFDM)等為典型代表。

資源一號02C星已在軌超期服役七年,是我國首顆自主高分辨率民用陸地業務衛星,開創了主用戶負責的衛星建造機制,是航天高科技與產業化應用緊密結合的典范。星上搭載了兩臺2.36m的高分辨率相機和一臺5m全色/10m多光譜相機,在土地資源、地質礦產、地質災害與地質環境等領域12項主體業務中實現了規;瘧,并拓展至重點地區衛片預警、閑置土地調查、露天采礦用地開發復墾遙感監測等30余項地方業務應用領域,業務化、規;瘧萌〉蔑@著成效。

高分一號衛星是高分專項的首發星,搭載了兩臺2m分辨率全色/8m分辨率多光譜相機和四臺16m分辨率多光譜相機,突破了高空間分辨率、大幅寬、多光譜與高時間分辨率結合的光學遙感技術,適應多種空間分辨率、多種光譜分辨率和多源遙感數據綜合需求。2米/8米光學衛星星座是國家第一個民用高分辨率星座,由性能相同、狀態一致的3顆業務衛星組成。高分六號衛星實現了8譜段CMOS探測器的國產化研制,首次增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段,打破了多年來行業遙感業務運行系統中高分辨率遙感數據依賴國外衛星的局面。高分一號衛星、2米/8米光學衛星星座、高分六號衛星已組網運行,可實現11天全球覆蓋、同一地區1天重訪,更好地兼顧高分辨率、寬覆蓋和應急觀測業務需求,為自然資源、防災減災、生態環境、城鄉建設、交通運輸、農業農村、應急管理等領域提供精準信息保障,已成為各行業最重要的數據源之一。

中巴地球資源04A星是中國和巴西兩國政府合作研制的第六顆地球資源衛星,旨在滿足中巴兩國用戶在國土資源調查、評價、規劃、監測以及應急管理,農作物估產、環境保護與監測、城市規劃等多個領域的需求,深化南南合作。星上主要配置了三臺光學載荷,其中寬幅全色多光譜相機分辨率為全色2m、多光譜8m,多光譜相機分辨率為17m,寬視場成像儀分辨率為60m。

高分二號衛星是我國自主研制的首顆空間分辨率優于1m的民用光學遙感衛星,搭載的兩臺高分辨率1m全色、4m多光譜相機實現拼幅成像,標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。

高分多模綜合成像衛星是空基規劃中分辨率最高的光學遙感衛星,也是我國第一顆0.5m分辨率敏捷智能遙感衛星,采用政府與社會資本合作的模式(PPP)建設實施,進一步滿足自然資源、調查監測、開發利用、地質勘查以及應急減災、農業調查、住建監測、林業保護等領域的高精度數據需求。

我國已實現全國2m平面影像季度覆蓋、亞米平面影像年度覆蓋的成像能力。初步統計,通過多星協同觀測,2米級光學衛星影像全國陸域季度有效覆蓋達98%,其中秦嶺—淮河一線以北地區月度覆蓋達92%;亞米級光學衛星影像全國陸域年度有效覆蓋達94%。

2.立體測圖衛星

國產米級、亞米級高分辨率光學立體測圖衛星技術發展迅猛,實現了對激光測高載荷的有效搭載,立體相機與激光測高儀復合測繪技術取得了從無到有的新突破,為無地面控制點條件下的1:50000、1:10000比例尺航天立體測圖提供了有力支撐。資源三號01星(ZY-3-01)已在軌超期服役五年,是我國首顆民用高分辨率光學傳輸型立體測圖衛星,搭載三線陣立體測繪相機和多光譜相機,集測繪和資源調查功能于一體,在稀少控制點條件下,影像平面精度優于3m,高程精度優于2m,全面超過了1:50000立體測圖衛星設計指標,并可用于1:25000測圖及部分1:10000地理要素的更新,不僅實現了我國高精度測繪衛星“零的突破”,且總體影像質量優于國外同類衛星。

資源三號02星(ZY-3-02)是空基規劃首顆業務星,在資源三號01星基礎上進行優化,將前后視相機分辨率從3.5m提高到優于2.5m,并搭載了一臺激光測高試驗性載荷,驗證了國產衛星激光測高數據能有效提高立體影像無地面控制高程精度的可行性。

資源三號03星(ZY-3-03)是資源三號系列衛星的第三顆,具備多角度立體觀測和激光高程控制點測量能力。激光測高儀單點測高精度優于1m,點間隔約3.6km。資源三號03星與資源三號01星、02星共同組成我國立體測繪衛星星座,重訪周期從3天縮短到1天。資源三號系列衛星在基礎測繪、自然資源調查、農林水利、災害應急等領域得到廣泛應用,已全面替代國外同類遙感衛星影像,成為高分辨率衛星業務化應用的典范。

高分七號衛星(GF-7)是高分專項部署的科研衛星之一,也是我國首顆民用亞米級高分辨率光學立體測繪衛星,搭載的兩線陣立體相機和兩波束激光測高儀,實現從1:50000到1:10000的技術跨越,推動形成了“全國范圍2m普測、重點區域亞米詳測”的衛星立體觀測能力,為基礎測繪、全球地理信息資源建設、地理國情監測等提供了重要數據支撐。

3.高光譜衛星

國內高光譜衛星發展勢頭強勁,觀測譜段實現從多光譜到高光譜轉變的新格局。初步統計,高光譜衛星全國陸域年度有效覆蓋率達到95%,基本具備年度更新能力。

2018年5月成功發射的高分五號(GF-5)是世界首顆實現對陸地和大氣綜合觀測的全譜段高光譜衛星,也是高分專項一顆重要的科研衛星。星上搭載六臺載荷,其中可見短波紅外高光譜相機空間分辨率可達30m,幅寬60km,光譜分辨率最高達5nm。高光譜觀測衛星(高分五號02星,GF-5-02)是空基規劃中的一顆業務星,充分繼承高分五號衛星的成熟技術,在有效載荷配置及性能上均有一定的提升,可為生態環境、自然資源、應急管理、氣象等部門主體業務提供高質量、高可靠的高光譜數據保障。

5米光學業務衛星(又稱資源一號02D星,ZY-1-02D)、5米光學02星(又稱資源一號02E星,ZY-1-02E)是空基規劃中部署建設的高光譜業務衛星。5米光學業務衛星配置可見近紅外相機和高光譜相機兩型載荷,其特點是大幅寬觀測和定量化遙感信息獲取。5米光學02星還新增搭載一臺16m空間分辨率、幅寬115km的熱紅外相機,進一步具備熱紅外探測能力。雙星組網運行后,將可見近紅外相機國土區域重訪時間由3天提升為2天,形成中等空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率的遙感綜合對地觀測能力,可實現地物精細化光譜信息調查,滿足新時期自然資源調查與監測需求。

4.雷達衛星

國內雷達衛星發展迅猛,載荷水平不斷提高,由單一成像模式向多種成像模式發展,由單極化向多(全)極化發展,由中分辨率向高分辨率發展,高分辨率寬幅成像能力不斷加強,獲取地物信息更加豐富,對地觀測和監視能力得到提高,干涉測量技術取得突破性進展。

高分三號(GF-3)是我國首顆C波段多極化高分辨率合成孔徑雷達(SAR)衛星,也是高分專項唯一的一顆微波成像雷達衛星,具有高分辨率、大成像幅寬、高輻射精度、多成像模式和長時工作的特點,能夠全天候和全天時實現全球海洋和陸地信息的監測,提升突發事件快速響應能力,填補了我國民用自主高分辨多極化合成孔徑雷達遙感數據空白。

1米C-SAR01星和02星(GF-3B/C)是依據空基規劃建設的C波段多極化高分辨率合成孔徑雷達衛星,與高分三號衛星實現組網運行,以滿足海陸觀測快速重訪需求,為我國多極化合成孔徑雷達衛星數據業務化應用提供支撐。

L波段差分干涉SAR衛星(L-SAR)是空基規劃首個立項的科研衛星工程,也是我國第一組以干涉應用為核心任務的SAR衛星星座,由A、B星組成,雙星均配置L波段SAR載荷。雙星采用編隊構型運行,利用干涉測高和差分形變測量技術,可實現高精度、全天時、全天候地形測量、地表形變和地質災害監測。

四、機遇與挑戰

近年來,黨中央國務院關于國家生態文明建設、糧食安全和鄉村振興戰略等重大決策部署,對提升國家治理能力和治理體系現代化水平提出了更高要求,亟需衛星遙感提供更為精細化、定量化、高效化的技術手段支撐。以自然資源主體業務為例,需要衛星遙感為主要支撐手段的業務項目包括全國國土調查、全球測圖、基礎測繪、地理國情監測、土地變更調查、執法督察等任務,現階段對觀測范圍、需求頻次、影像種類的總體需求可概括為:光學2m平面影像全國陸域季度覆蓋,亞米平面影像全國陸域半年度覆蓋、重點監測區域季度覆蓋,光學2m立體影像全國陸域年度覆蓋,亞米立體影像全國陸域三年覆蓋,高光譜影像全國陸域年度覆蓋,雷達影像全國重點區域月度覆蓋。亟需加快建立并維持與之相適應的陸地遙感衛星骨干網。

目前,人工智能、大數據等新一代信息技術與衛星遙感深度融合,深刻改變著衛星遙感從設計研制、處理應用到終端服務全流程。依托數字化設計、規;圃、智能化管控技術的發展,遙感衛星正加速向精細化、星座化、體系化和智能化邁進,綜合觀測能力不斷提升;星上智能處理、實時信息解譯等處理技術的發展持續推動衛星應用技術創新,新型應用服務模式要求全方位提升衛星應用系統能力,實現從衛星運控管理、在軌檢校到產品生產、應用服務規;臉I務體系,構建從標準產品、基礎產品到專題產品的多層次、多元化的產品體系,形成從數據服務、主動推送到信息服務的創新型、網絡化的服務體系。

與旺盛的需求相比,陸地遙感衛星在支撐保障能力方面還存在一些短板。例如,亞米級公益衛星資源較少,數據業務供給缺口較大;新型衛星預研及新技術研發投入不足,特別是面向未來衛星遙感制高點,在分米級立體測繪、高分辨率高光譜、新體制雷達、陸海激光測量、高靈敏度熱紅外等新型衛星載荷預研方面有待深入;衛星組網和協同觀測不足,監測頻次不高,且受地面接收站網和星上數傳能力限制,衛星觀測效能未能充分發揮;應用系統缺乏持續穩定投入,應用基礎設施建設滯后,衛星定量化遙感不精,智能化應用水平有待提高,制約了衛星遙感產品的高質量供給和應用任務的高效開展等。

五、建議及展望

應對機遇和挑戰,亟需以空基規劃下一階段的實施為契機,進一步揚優勢補短板,提升國產陸地遙感衛星及其支撐保障能力。一是加快推進后續衛星立項研制和發射,公益性投入構建國家陸地遙感衛星骨干網,明確衛星退役替補、持續更新換代機制,確保數據連續穩定;二是提高亞米級衛星數據公益保障水平,實現公益與商業協同互補的發展格局;三是面向未來技術制高點,加大新型衛星預研力度;四是推動星地資源共建共享共用,全面提升在軌衛星工作效能;五是增加應用系統建設及運行經費投入,適度超前于衛星工程進行部署,提升影像數據處理的定量化和智能化水平,推進國產遙感軟件自主可控。

展望未來,隨著對地觀測技術的不斷發展,下一代陸地遙感衛星以高空間分辨率、高時間分辨率、全要素、全天時、全尺度即“兩高三全”為主要發展趨勢,具備精細觀測、即時監測、多維探測等特點,由單純追求分辨率、精確性向追求綜合化、智能化、定量化、立體化等轉變,形成從靜態調查到動態監測、從高程測量到形變監測、從水面到水下、從地表到地下、從數量到質量和生態的綜合觀測能力。在“一星多用、多星組網、多網協同”體系化發展思路下,通過持續構建多尺度高時空分辨率光學衛星星座、全天候全天時雷達衛星星座、全譜段全要素高光譜衛星星座,積極推進新型衛星載荷預研,最大程度發揮在軌衛星觀測及應用效能,國產陸地遙感衛星發展必將實現新的跨越,成為持續推進自然資源治理體系和治理能力現代化、助力經濟社會高質量高水平發展的重要支撐手段。

 

 

 

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