商業(yè)遙感衛(wèi)星應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討

●　文|中國資源衛(wèi)星應用中心　赫華穎　王海燕　郝雪濤　齊懷川

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商業(yè)遙感衛(wèi)星應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討

●文|中國資源衛(wèi)星應用中心赫華穎王海燕郝雪濤齊懷川

高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星影像由于空間分辨率高、識別地物能力強、信息準確等因素，受到各國的重視。2014年10月24日，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，決定要逐步引導民間資本參與國家民用空間設施建設，研制、發(fā)射和運營商業(yè)遙感衛(wèi)星。縱觀全球，很多國家都已采用商業(yè)化方式運營遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，且收益顯著。近年來，一大批從事商業(yè)微型衛(wèi)星研發(fā)的創(chuàng)新企業(yè)先后涌現(xiàn)，拓寬了商業(yè)遙感模式和發(fā)展方向。本文針對國內(nèi)外商業(yè)遙感衛(wèi)星的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展開探討。

一、商業(yè)遙感衛(wèi)星應用現(xiàn)狀

商業(yè)遙感衛(wèi)星應用涉及十分廣泛的用戶類型，應用領域主要包括國防安全、能源、自然資源管理、海事、災害應急管理、工程與基礎設施建設，以及基于位置的服務（LBS）等。不同的用戶、不同的行業(yè)和應用領域需要不同的遙感服務，表現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率、重訪周期以及數(shù)據(jù)時效性（存檔或新采集的數(shù)據(jù)）等方面。

1．國防安全

國防應用是商業(yè)遙感數(shù)據(jù)市場的最大用戶。近年來，商業(yè)數(shù)據(jù)市場中的百分之七十左右的訂單都是為國防用戶所占有。在過去十年國防部門對商業(yè)數(shù)據(jù)市場的需求持續(xù)增長。

國防對衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應用特點是重訪能力強，能夠及時獲取（盡可能接近實時）高分辨率、高定位精度的光學及雷達影像，數(shù)據(jù)直接從接收站接收，保障數(shù)據(jù)使用安全性和保密性。

2．能源行業(yè)

遙感數(shù)據(jù)在能源行業(yè)的應用往往集中在偏遠的人類較困難從事工程作業(yè)的地區(qū)。這些地區(qū)通常缺少基礎信息（地圖、地質(zhì)圖），如北極地區(qū)（俄羅斯、加拿大和阿拉斯加）、深水鉆井區(qū)（墨西哥灣、海鄂霍次克海/白令海）。此外，基礎信息采集欠發(fā)達的亞非地區(qū)也是該行業(yè)的主要應用區(qū)域。

能源業(yè)的數(shù)據(jù)應用特點是高分辨率、高定位精度的光學及雷達影像，數(shù)據(jù)時效性要求不高，但數(shù)據(jù)增值服務是重點。

3．基礎設施

基礎設施與工程行業(yè)的應用涵蓋制圖學、城市發(fā)展、房地產(chǎn)、交通規(guī)劃以及相關的工程建設項目。隨著各個國家在加強基礎設施建設的過程中，對地形圖或解決方案的需求增加，對地觀測技術在該行業(yè)的應用也日益突出。這在那些經(jīng)濟高速增長并希望改善基礎設施的國家中體現(xiàn)的尤為明顯。對地觀測數(shù)據(jù)在整個行業(yè)中的應用是多種多樣的，但主要還是利用中高分辨率數(shù)據(jù)對目標進行識別監(jiān)測。

基礎設施工程的數(shù)據(jù)應用特點是高分辨率（優(yōu)于0.5m）、高定位精度的光學影像數(shù)據(jù)時效性要求不高，數(shù)字高程模型（DEM）是一個被廣泛應用的數(shù)據(jù)。

4．災害管理

災害周期的各個階段（風險評估、災害預警、應急響應、災后重建）都需要遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)及服務。災害發(fā)生的前后，需要快速響應獲取災害發(fā)生地區(qū)的數(shù)據(jù)，并及時交付用于災害發(fā)展狀況持續(xù)監(jiān)測。但是當災害發(fā)生時，數(shù)據(jù)通常是免費提供的，向政府和救災國際組織提供公益服務。在重大事件發(fā)生后，商業(yè)公司免費提供用于支持災后救援的數(shù)據(jù)，或者名義上收取一定處理費用。監(jiān)測受災區(qū)域并對其進行損失評估、后勤工作支持和熱點區(qū)域識別，是服務的熱點。首選解決方案是高分辨率光學數(shù)據(jù)的迅速交付。然而，例如洪水這種災害事件和大量云量覆蓋聯(lián)系在一起時，光學數(shù)據(jù)不能滿足所有的需求。在這種情況下，合成孔徑雷達（SAR）數(shù)據(jù)就會扮演重要的角色。

災害管理的數(shù)據(jù)應用特點是各類數(shù)據(jù)的快速持續(xù)獲取，數(shù)據(jù)綜合整合的增值服務是重點。

圖1和圖2展示了WorldView-3對2014年美國加州森林火災所成的圖像。通過短波紅外波段中的S6、S3以及S1波段對光譜的提取，能夠有效過濾森林火災引起的煙霧，直接觀測火災的實際范圍，幫助火場救災人員準確制定營救和火控方案。

圖1　彩色野火煙霧圖像

圖2　可穿透煙霧的SWIR圖像

5．海洋業(yè)務

手術治療GCTB后的局部缺損區(qū)域要進行人工材料填充，如人工生物陶瓷、骨水泥等。也會采用氬氣刀、骨水泥的局部物理或化學治療對腫瘤細胞進行殺傷，但其產(chǎn)生的殺傷作用是短暫的［18］；也有學者使用微波原位滅活技術治療肢體骨巨細胞瘤，較普通刮除術有一定優(yōu)勢［19］，但復發(fā)后骨水泥再取出十分困難，對局部復發(fā)患者的進一步診療增加了手術難度。

在SAR影像上，船只、海冰、油膜與周圍海面的紋理明顯不同，容易識別，所以SAR數(shù)據(jù)非常適用于海事方面。在海洋方面，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要用來進行船只監(jiān)測、路線選擇（包括路線制圖、后勤保障，海冰探測）和非法活動（如污水傾泄、非法闖入、非法交易等）監(jiān)測及報告。隨著數(shù)據(jù)供應的增加，業(yè)務逐漸形成了一種可持續(xù)的服務模式，有成熟的客戶基礎，可以為軍事和民用、政府及私人企業(yè)提供有價值的服務。這也是SAR數(shù)據(jù)除了國防以外的第一塊市場領域。

海洋業(yè)務數(shù)據(jù)的應用特點是SAR數(shù)據(jù)，實時與存檔數(shù)據(jù)都有應用。

6．自然資源管理

自然資源管理涉及資源開發(fā)、監(jiān)測、土地利用和海洋資源利用、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水資源和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。監(jiān)測地區(qū)資源的可持續(xù)利用是一個非常重要的因素，特別是那些資源逐漸減少和高污染的地區(qū)。遙感數(shù)據(jù)的應用領域非常廣泛，但在許多情況下，低價的中分辨率、甚至免費的數(shù)據(jù)都能夠滿足需求。例如，大范圍農(nóng)業(yè)制圖、地表覆蓋制圖等。但是，部分應用要求衛(wèi)星有更快的重訪周期和更寬的幅寬。這些具有更快重訪周期和更寬幅寬的系統(tǒng)通常更多的用于精準農(nóng)業(yè)應用。

自然資源管理的數(shù)據(jù)應用特點是中低分辨率、寬覆蓋高重訪的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

7．地理位置服務

基于位置的服務主要集中在光學高分辨率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時性要求不高，主要為存檔數(shù)據(jù)。

二、商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢

1. 高空間分辨率

在技術進步和應用需求的牽引下，衛(wèi)星地面分辨率不斷提高。在光學超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領域，美國數(shù)字地球公司具有絕對優(yōu)勢，維持在0.5m的水平，最高達0.31m。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司、法國空客集團和以色列ImageSat公司實力相當，維持在0.7m的水平；我國剛發(fā)射的吉林一號的全色波段分辨率為0.72m。在SAR方面，意大利、德國分辨率水平相當，最高空間分辨率均為1m；加拿大其次，最高空間分辨率為3m。

2. 高時間分辨率

單顆或少量衛(wèi)星的獲取能力有限，通過星座組網(wǎng)運行，獲得更大的數(shù)據(jù)獲取能力和更高的時間分辨率。在光學超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領域，美國數(shù)字地球公司雖然單星時間分辨率并不具備競爭力，但若考慮將其視為一個虛擬星座，時間分辨率可達1天的水平。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司的衛(wèi)星具有絕對優(yōu)勢，時間分辨率可達0.25天的水平；其次是法國空客公司和中國二十一世紀空間技術應用股份有限公司，Pleiades-1A/1B星座和北京二號星座均可達1天的水平。在光學中分辨率（1~10m）領域，法國空客公司最具優(yōu)勢，SPOT-6/7 和Formosat-2組網(wǎng)，時間分辨率可達0.5天；其次是英國薩里公司，RapidEye星座時間分辨率可達1天。在SAR方面，意大利的4顆Cosmo-SkyMed衛(wèi)星位于同一軌道面，極大提高了時間分辨率，可達12小時；法國空客集團的TerraSAR-X、TanDEM-X 和即將發(fā)射的Paz組網(wǎng)提高了時間分辨率，可達21小時；加拿大MDA公司的Radarsat-2達3天。

3. 強覆蓋能力

根據(jù)當前的衛(wèi)星發(fā)展水平，單星日觀測面積都向100萬平方千米發(fā)展，如果考慮星座能力，則可達幾百萬的水平。在光學超高分辨率（<0.5m）領域，美國數(shù)字地球公司日觀測面積可達300多萬平方千米；在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，最具有潛力的是美國天體成像公司，日觀測量在1000萬平方千米以上，而法國空客集團則可達到200萬平方千米；在光學中分辨率（1~10m）領域，法國空客集團水平最高，可達700萬平方千米，其次是英國薩里公司，為400萬平方千米。在高分辨率SAR數(shù)據(jù)上，意大利的COSMO-SkyMed星座和法國空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網(wǎng)均具有極強的覆蓋能力，每日3萬平方千米；在中分辨率SAR數(shù)據(jù)上，意大利的COSMO-SkyMed星座的覆蓋能力最強，每日240萬平方千米，其次是法國空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網(wǎng)，每日90萬平方千米。

4.低制造成本

小衛(wèi)星（質(zhì)量5~300kg）發(fā)射成本低，在滿足圖像商業(yè)應用的前提下，盡可能采用小衛(wèi)星平臺、低成本的望遠鏡，利用最新的圖像處理硬件和算法，以相對較短的衛(wèi)星壽命換取由更大數(shù)量衛(wèi)星組成的星座，不但降低了衛(wèi)星的設計、總裝和發(fā)射成本，還使衛(wèi)星和圖像數(shù)量增加，覆蓋能力增強，時間分辨率增高。在光學超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領域，目前還未有小衛(wèi)星。在光學高分辨率（0.5~1.0m）領域，美國天體成像公司的衛(wèi)星具有絕對優(yōu)勢，目前已有SkySat-1和SkySat-2兩顆質(zhì)量100kg的衛(wèi)星在軌運行，并計劃于2018年前以低廉成本構(gòu)建由24顆衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星座SkySat，實現(xiàn)全球任意目標每天3~4次的訪問能力，為用戶快速提供實時、高分辨率的海量遙感影像甚至視頻；在光學中分辨率（1~10m）領域，英國薩里公司研制的RapidEye1-5質(zhì)量為150kg，具有高時間分辨率和強覆蓋能力，處于領先水平。

綜上所述，發(fā)展高空間分辨率的衛(wèi)星是必然選擇；發(fā)展高時間分辨率、強覆蓋能力的衛(wèi)星星座是發(fā)展方向；創(chuàng)新發(fā)展低制造成本衛(wèi)星可增強競爭力。快速形成0.5m分辨率亞米級的衛(wèi)星星座，具備較強的區(qū)域獲取能力，并分階段不斷提升，讓地面的特征更加精細化；發(fā)展0.3m分辨率的高端光學衛(wèi)星，具備同數(shù)字地球公司、航空數(shù)據(jù)競爭的能力，在國內(nèi)形成優(yōu)勢地位；戰(zhàn)略上發(fā)展SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，開拓SAR數(shù)據(jù)的應用價值；研究高光譜、視頻相機等載荷數(shù)據(jù)的應用前景，跟蹤不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)應用市場，能為多行業(yè)領域帶來深度的挖掘及分析價值。創(chuàng)新發(fā)展小衛(wèi)星星座，降低制造成本，增強數(shù)據(jù)獲取能力。

三、結(jié)論

高分辨率對地觀測系統(tǒng)關系到國家安全、經(jīng)濟建設和大眾民生，已廣泛應用于國防安全、能源行業(yè)、基礎設施、災害管理、海洋業(yè)務、自然資源管理、地理位置服務等領域。同時，高分辨率對地觀測系統(tǒng)又有巨大的商業(yè)價值。以美國為首的西方遙感強國，歷來對高分辨率對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)商業(yè)化運營十分重視，通過利用商業(yè)遙感衛(wèi)星效益，滿足了其軍事、外交、安全等要求，在國際商業(yè)高分辨率遙感數(shù)據(jù)市場上占據(jù)了主導地位。近年來，我國衛(wèi)星遙感事業(yè)已經(jīng)取得了舉世矚目的成就，但與國際領先水平相比，高分辨率對地觀測系統(tǒng)還存在著一定差距。發(fā)展高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星是縮短我國衛(wèi)星遙感與國際領先水平差距、提高我國科技綜合競爭力的必由之路；是實現(xiàn)高分辨率對地觀測技術產(chǎn)、學、研結(jié)合的有效途徑；是我國高分辨率對地觀測技術可持續(xù)發(fā)展的必要條件，既能滿足當前快速形成能力的迫切需求，又具備一定的前瞻性，形成長遠持續(xù)的競爭能力。

建議國家加大資金扶持，加強政策引導；規(guī)范產(chǎn)業(yè)管理制度，完善國家監(jiān)管體系；放寬商業(yè)圖像資源和國外出口衛(wèi)星的分辨率限制，使我國高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星事業(yè)蓬勃發(fā)展。