面向應用需求的星載多光譜相機指標設置探討

張振華，甘甫平，王 軍

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083;2.國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室，北京 100083;3.北京空間機電研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，我國衛星遙感技術發展迅速，相繼發射了CBERS－01/02/02B、HJ－1A/1B、資源一號02C、資源三號、高分一號［1］及高分二號［2］等多顆光學遙感衛星。這些衛星數據在國土資源調查、環境保護、防災減災以及測繪地理信息等行業應用中發揮了重要作用。但在實際應用中發現，衛星影像的空間分辨率、光譜分辨率和幅寬等指標制約了一些數據應用領域的拓展和深入。造成如此現狀的原因之一是長期以來，我國衛星研制與應用相互脫節，重衛星研制輕行業應用。研究發現，在影響衛星數據質量的諸多因素中，相機指標的設置是核心和關鍵，它決定了所獲取數據的可應用范圍及效益。目前，衛星研制主管部門及研制部門已漸漸認識到“應用”是衛星研制的出發點和落腳點，衛星工程建設需重視應用的牽引作用。本文在對國內外衛星載荷指標設置系統調研分析的基礎上，以地質礦產應用需求為主，兼顧土地、環保、農業、林業及減災等行業應用需求，就用戶關心的譜段范圍、空間分辨率、幅寬及重訪周期等可見光/近紅外多光譜相機的基本指標設置提出了建議，旨在為星載相機的研制提供應用支撐。

1 國內外衛星載荷指標設置分析

1.1 衛星載荷指標參數的調研分析

面向資源環境領域的應用，本文針對衛星的譜段設置、空間分辨率、輻射分辨率、重訪周期、幅寬、設計壽命及發射時間等指標，共調研了空間分辨率優于30m的已發射與即將發射的衛星有59顆(表1)。

表1 本文調研的國內外衛星Tab.1 Domestic and international satellite researched in this article

續表

1.2 發展現狀與趨勢分析

通過對國內外衛星載荷譜段、空間分辨率、幅寬等參數設置的調研分析，重點從譜段設置角度，總結分析其發展現狀與趨勢。

1)衛星譜段的設置基本采用3種配置:①全色和多光譜搭配;②僅有全色波段;③僅有多光譜波段。絕大部分是采用全色和多光譜的經典配置。

在譜段設置中，多光譜相機基本上設有藍、綠、紅、近紅外4個經典波段。在高空間分辨率衛星中，通常是藍、綠、紅、近紅外波段配1個全色波段;在中低分辨率衛星中，除經典的4個波段外，還會設有短波紅外波段和熱紅外波段;在全色譜段的波譜范圍設置上，各衛星呈現的差異性較大，但通常覆蓋了可見光—近紅外譜段(0.450～0.900 μm，0.450～0.800 μm)或者是可見光部分譜段(0.450～0.690 μm)。多光譜譜段和全色譜段的空間分辨率比基本上呈偶數倍關系，通常是4∶1或者2∶1，其中以4∶1居多。

2)譜段和空間分辨率的設置與應用需求結合緊密，體現應用特色(如普查、監測、偵察、測繪);持續發展某一系列衛星，在衛星載荷指標上總體保持穩定，但有時會在空間分辨率、譜段帶寬等參數上作少許調整優化，以滿足應用需求。以Landsat為例，Landsat8 OLI包括了Landsat7 ETM+所有的波段，但為避免大氣吸收的影響，Landsat8 OLI對一些波段寬度進行了調整，變化最大的波段是第5波段(0.845～0.885 μm，對應 ETM+第4 波段 0.775～0.900 μm)，排除了0.825 μm 處水汽吸收特征;與ETM+全色波段(0.520～0.900 μm)相比，OLI全色波段(0.500～0.680 μm)范圍較窄，這主要是為了在全色波段圖像上更好地區分植被區和非植被區。另外，和ETM+相比，OLI新增了2個波段:藍色波段(0.433～0.453 μm)，主要用于海洋水色觀測;短波紅外波段(1.360～1.390μm)，因該波段包含了水汽強吸收特征，可用于檢測卷云［36］。

3)在m級或亞m級高空間分辨率衛星中，在保持空間分辨率的同時，并不刻意追求幅寬，通常定制在10～20 km之間，在有需求時，采用相機側擺方式來提高單星數據采集和區域覆蓋能力。

4)衛星從單一衛星向衛星星座、組網方向發展，如RapidEye，WorldView和SPOT/Pleiades系列。

5)衛星的空間、波譜、時間及輻射分辨率越來越高，提高了衛星探測的精細化程度。

6)國外衛星設計壽命普遍高于5 a。

1.3 國內衛星載荷設置存在的問題

1)缺少短波紅外譜段。短波紅外譜段尤其是2.0～2.5μm 譜段在地質礦產、環境保護、農業、林業等方面的應用具有不可替代作用。近年來，國外衛星對該譜段的設置已有所考慮并在設計中預以實施，對波段也進行了細分。如ASTER短波紅外波段圖像的空間分辨率雖然只有30 m，但已細分為6個波段;2014年8月13日發射的WorldView－3，短波紅外波段圖像的空間分辨率已達到了3.7 m，細分波段則達到了8個。反觀國內，短波紅外譜段設置還很缺乏，在本次調研的國內衛星中，只有3顆衛星(CBERS－01/02，HJ－1B星)設有此譜段，且其譜段細分程度和空間分辨率與國外的差距巨大，削弱了其在行業業務中的可應用性。

2)幅寬設置達不到預期應用效果。按照預期，幅寬與數據連片區域覆蓋能力成正比。但是，像資源一號02C、高分一號等采用多相機拼接方式來提高幅寬，實際上只是達到了名義幅寬，并未達到預期應用效果。國外衛星尤其是高空間分辨率衛星，雖然幅寬較窄，但通過相機側擺、星座組網等方式，提高了重訪周期，從而提高了數據采集能力和區域覆蓋能力，應用效果明顯。

3)衛星設計壽命相對偏短。我國衛星的設計壽命通常為3～4 a，與國外衛星尤其是與美國衛星相比，壽命偏短，容易造成數據斷檔，嚴重制約了衛星投資和應用效益的發揮。

2 行業用戶指標需求分析

以地質礦產行業為主體，兼顧土地、環保、農業、林業及減災等行業的應用需求，在業務應用領域調研分析的基礎上，開展了譜段設置、分辨率、幅寬和重訪周期等的需求調研與分析。

2.1 各行業業務應用領域調研分析

1)地質礦產資源領域。衛星遙感技術主要應用于全國重要成礦區(帶)遙感地質調查、礦產資源開發多目標遙感調查與監測、地質災害遙感調查與監測、境外礦產資源遙感調查等方面，識別巖性、構造、礦化蝕變、礦山開采面、礦山開發占地變化、地質災害類型、規模及分布位置等信息，為不同級別的管理、決策部門提供不同比例尺的地質空間信息支撐。

2)土地資源領域。衛星遙感技術主要應用于全國土地利用變更調查及宏觀監測等方面，識別土地利用類型、用地變化、開發建設狀態以及土地利用規劃實施評估情況等信息，為土地參與宏觀調控、嚴格土地管理提供技術支持和數據保障。

3)環境領域。衛星遙感技術主要應用于空氣質量、水環境質量以及生態環境質量等方面的監測，識別大氣污染物分布范圍、程度和擴散情況、水體富營養化、城市熱島、土壤重金屬污染等信息，為環境監測、應急調查、環境管理和決策等提供信息服務。

4)農業領域。衛星遙感技術主要應用于農作物長勢監測與分析、農作物病蟲害預測以及農作物估產等，為國家糧食生產的宏觀管理及安全戰略制定，農業資源開發、利用和保護，農業可持續發展，農業抗災減災及災后重建等提供決策支持信息。

5)林業領域。衛星遙感技術主要應用于森林資源一二類清查、荒漠化調查、濕地調查和監測、森林病蟲害監測、林火等災害調查和監測等，識別森林資源類型、面積及分布位置、不同荒漠化土地分布及嚴重程度、濕地類型及分布狀況、森林病蟲害、林火等災害分布面積等信息，為我國的林業資源保護和生態環境建設決策提供科學、翔實的數據。

6)災害預警與監測領域。衛星遙感技術主要應用于洪澇、地震、旱災、滑坡、泥石流、雪災、森林草原火災、冰凌、沙塵暴、病蟲害及雹災等各類自然災害的風險預警與監測，為災情應急監測和災區救援等業務提供決策依據［37］。

2.2 行業應用指標需求調研及綜合分析

為了提高行業應用指標需求調研的針對性和可操作性，本研究專門設計了“載荷指標設置調研表”(表2)。

表2 載荷指標設置調研表Tab.2 Survey table of payloads index set

根據常見的地物反射特性，表2將可見光/近紅外至短波紅外范圍內(0.40～2.50μm)譜段分隔成29個波段。詳細了解地物反射波譜各個部分的光譜可應用性對綜合考慮選擇波段的可應用性和可擴展性是非常重要的［38］。

將表2分發給5個行業9個應用領域的專家，綜合分析專家意見如下:

在波段設置方面，用戶需求主要為集中在可見光/近紅外譜段，依次是近紅外1(0.770～0.895 μm)、紅(0.630～0.690 μm)、綠(0.520～0.590 μm)、藍(0.450～0.520μm)等4個波段;其次是近紅外2(0.860～1.040 μm)、紅邊(0.705～0.745 μm)等與植被密切相關的波段。另外，對海岸藍(0.400～0.450 μm)、黃(0.585～0.625 μm)等波段也存在一定的需求，如表3所示。

表3 可見光/近紅外譜段用戶需求統計分析Tab.3 Statistics analysis of user requirements in VIS/NIR spectrum

各用戶對短波紅外譜段的需求相對分散，如表4所示。

表4 短波紅外譜段用戶需求綜合分析統計Tab.4 Statistics analysis of user requirements in SW IR spectrum

地質礦產應用，尤其是其中的遙感地質調查以及境外礦產資源調查，對短波紅外2.0～2.5μm之間的譜段需求強烈，而且對該范圍內的波段劃分要求也較為精細，主要是2.185～2.225 μm，2.235～2.285 μm 和2.295～2.365 μm;農業方面，短波紅外波段主要是1.360～1.550 μm，1.590～1.640 μm和2.185～2.225μm;環保方面，短波紅外波段主要是1.230～1.250 μm，1.628～1.652 μm 和 2.105～2.155μm;林業方面，短波紅外波段主要是1.300～1.360 μm、1.640～1.680 μm 和2.100～2.140 μm;土地和減災應用對短波紅外較少涉及。

在空間分辨率方面，因工作內容和工作尺度不同，存在差異，基本上集中于3個量級:優于1 m、優于2.5 m以及10～30 m。

在幅寬方面，以60 km左右的幅寬居多。

在重訪周期方面，不同業務應用要求有所差異。以地質礦產應用為例，調查類應用(如遙感地質填圖、礦產資源遙感調查等)對重訪周期無特殊要求，監測類應用(如礦山開發遙感監測等)對重訪周期要求較高，一般是3～5 d，災害應急監測一般要求是1～3 d。

3 相機指標設置的建議與分析

3.1 建議

綜合國內外衛星譜段設置及其他參數調研分析、以及國內用戶需求綜合分析情況，并在分析不同地物類型的光譜特征基礎上(如不同礦物類型在2.000～2.500 μm 之間吸收特征，圖 1)，提出了譜段范圍、空間分辨率、幅寬、重訪周期等用戶關心的可見光/近紅外多光譜相機指標設置建議，如表5所示。

圖1 不同礦物類型在2.000～2.500μm之間的吸收特征［39］Fig.1 Absorption characteristics of differentm inerals from 2.000 μm to 2.500 μm［39］

表5 可見光/近紅外多光譜相機指標設置建議Tab.5 Index set suggestions of VIS/NIR camera

3.2 分析

3.2.1 譜段范圍

在譜段范圍方面，提出了1個全色波段和14個多光譜波段的設置建議。在可見光/近紅外譜段內，除全色和藍、綠、紅、近紅外1(0.770～0.890 μm)的經典搭配外，增加了海岸藍(0.400～0.450 μm)、黃(0.585～0.625 μm)、紅邊(0.705～0.745 μm)、近紅外2(0.860～1.040 μm)等波段，主要考慮到應用中對觀測要素識別種類、精度越來越高。新增的多光譜譜段可與傳統的多光譜譜段共同使用，能夠更接近人眼的感知來對圖像進行還原，生成更真實的“真彩色”圖像。具體來看，海岸藍波段是健康植被葉綠素吸收譜段，可用于植被分析，同時，該波段又是水體吸收最少的波段，可用于深海探測研究，另外該波段受大氣散射影響較大，可用于大氣校正技術;黃波段在地物特征分類中非常重要，可用于探測陸生植被和水生植被的特征指標，是重要的植物應用波段;紅邊波段集中于植被響應高反射率部分，對植被健康狀況測量很有價值，同時可輔助用于植被分類;近紅外2波段支持植物分析和單位面積內生物數量的研究［40］。

在短波紅外譜段范圍內，除建議設置1.500～1.700 μm 波段外，還建議將2.00～2.50 μm 區間細分成5個波段，以利于巖石礦物信息的識別、礦化蝕變信息提取等地質礦產應用，同時也兼顧了農作物養分信息獲取、荒漠化信息監測、水環境監測等應用需求。具體來看，1.500～1.700μm位于水的吸收帶(1.400 μm，1.900 μm)之間，受2 個吸收帶的控制，反映植物和土壤水分含量敏感［41］，利于農業遙感應用。同時，對巖性類型判定也有一定作用，利于地質礦產應用。在2.145～2.185μm波段內，大量巖礦分子基團呈現吸收特征，可應用于碳酸鹽和粘土礦識別;2.185～2.225μm波段可用于粘土Al—OH/Fe—OH礦物和碳酸鹽礦物識別與分析;2.235～2.285μm波段可用于粘土礦物、碳酸鹽礦物和蝕變礦物識別與分析;2.295～2.365μm波段可用于含Al—OH礦物、碳酸鹽礦物和蝕變礦物識別與分析;2.360～2.430μm波段可用于部分碳酸鹽礦物和蝕變礦物識別與分析。

3.2.2 空間分辨率

在空間分辨率方面，建議全色譜段和多光譜譜段采用1∶4的經典搭配，即全色分辨率優于2.5 m，多光譜優于10m。這主要是考慮到2點:①目前各行業尤其是地質礦產、土地等行業主體業務應用基本上處于1∶5萬比例尺以及更大的比例尺，或者在往大比例尺方向發展，更加強調精細化調查與管理，要保證1∶5萬比例尺應用，分辨率至少優于2.5 m;②高空間分辨率是未來光學遙感衛星的發展方向。

3.2.3 幅寬

建議幅寬設置優于60 km，但不建議采取多相機拼接方式。這主要是考慮到衛星業務化應用中對連片區域的無縫覆蓋能力需求。若幅寬太窄，則會影響到衛星數據獲取效率，需要采用多星組網方式來提高數據獲取能力;若幅寬太寬，尤其是采取相機拼接的方式來增加幅寬，將會對數據處理效率產生影響，而且影像邊緣畸變也較大。

3.2.4 重訪周期

建議重訪周期為3～5 d。這主要綜合考慮以下5點:①在日常調查監測應用中，需要在特定時間內實現對某個區域的重復觀測;②在應急監測中，對特定區域重復觀測頻次要求更高，相應地對重訪周期要求也更高，一般要求1～3 d，對于某些特殊時期的應急處理需要，要求24 h內的更短重訪周期;③為了提高業務化應用中區域連片覆蓋能力;④目前國內外在軌衛星重訪能力;⑤當前及未來一段時間國內衛星載荷研制水平。

4 結論

本文開展了國內外衛星載荷譜段設置分析和國內用戶需求分析，在充分考慮國內外衛星載荷指標的發展水平和國內用戶需求特點的基礎上提出了譜段設置、空間分辨率、幅寬、重訪周期等可見光/近紅外多光譜相機指標設置建議，主要結論如下:

1)本文提出的譜段設置、空間分辨率、幅寬以及重訪周期等指標基本能滿足1∶5萬比例尺地質礦產、土地等行業應用需求，可為相機研制提供應用支撐。

2)今后還要對提出的指標建議作進一步的模擬與優化，使所提出的指標更加客觀，以滿足用戶需求，提升載荷可應用性。

志謝:本研究得到了中國國土資源航空物探遙感中心和北京空間機電研究所的大力支持和幫助，在此表示感謝。感謝中國國土資源航空物探遙感中心楊金中、李成尊、汪勁、童立強、付長亮、齊建偉以及中國土地勘測規劃院王忠武、環境保護部衛星環境應用中心趙少華、中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所劉佳、中國林業科學研究院資源信息所高志海、民政部國家減災中心徐豐等專家在研究中所給予的支持和幫助。

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