國內外商用遙感衛星的定量化對比分析與評估

馬玥, 姜琦剛, 李遠華, 肖晨超, 付長亮

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院,長春　130026; 2.中國國土資源航空物探遙感中心,北京　100083)

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國內外商用遙感衛星的定量化對比分析與評估

馬玥1, 姜琦剛1, 李遠華1, 肖晨超2, 付長亮2

(1.吉林大學地球探測科學與技術學院,長春130026; 2.中國國土資源航空物探遙感中心,北京100083)

摘要：為了摸清國內外商用遙感衛星的差異，評估國產民用衛星在數據提供、信息獲取和應用效果等方面的能力，對國內外遙感衛星進行了較為全面的調查與統計，采用衛星類型指數、波段覆蓋指數及分辨率指數等定量化指標對其各項能力進行全面客觀地量化分析與對比。研究結果表明： 國產民用衛星的發射種類和波段覆蓋范圍較為齊全，但衛星數量偏少，波譜覆蓋密度不及國外衛星； 國產民用衛星獲取超高空間分辨率影像的能力與國外星差距較大，缺少分米(dm)級分辨率的遙感衛星； 在衛星應用方面，應用國外衛星數據進行研究的“中國知網”文獻數量是應用國產衛星文獻數量的5倍，且在每一研究領域中，單顆國產民用衛星的應用率與國外衛星相比均較低； 國產民用衛星在某些方面(如獨有波段)已經超過了國外衛星。因此認為，國產民用衛星具有較高的應用潛能，可以在未來發揮更強大的作用。

關鍵詞：國內外商用遙感衛星； 定量參數； 能力評估； 對比分析

0引言

目前，Landsat，SPOT，RapidEye，QuickBird及WorldView等國外商用遙感衛星已取得巨大成功，在國際和國內市場中占有絕對的市場份額[1]。2011年前,由于國產遙感數據缺乏，我國諸多重大項目及科學研究工作多采用國外遙感數據。近年來，隨著國產民用衛星的快速發展，特別是資源一號02C(ZY-1 02C)、資源三號(ZY-3)、高分一號(GF-1)及高分二號(GF-2)等衛星的成功發射與應用，使得國產遙感衛星迎來了新的發展機遇。然而，由于國產民用衛星在數據獲取、影像質量、數據存儲和數據處理配套技術等方面存在諸多不足，導致眾多學者在從事遙感科研與項目時，仍采用大量國外商用遙感數據。因此，如何衡量國產民用衛星的技術和應用水平，評估它們能夠在多大程度上替代國外商用遙感衛星，已成為確定我國遙感衛星產業進一步發展方向的必然要求。

目前對遙感衛星的性能和應用潛力評估的主要思路為： ①對單一遙感衛星進行波段設置分析、數據質量評估及影像數據處理分析，并在相關領域開展衛星應用能力評估[2-5]； ②對遙感衛星進行在軌測試，主要參數包括信息量、數據動態范圍及噪聲水平等[6-8]。這些方法都具有針對性，能夠精準地評價特定衛星的各項技術水平，涉及的研究結果更接近實際應用，但缺乏橫向比較，無法從全局角度對國產民用衛星的應用潛能進行整體的評估與預測。

為此，本文通過對國內外商用遙感衛星進行全面調查與統計，在類型完整度、波段覆蓋范圍、分辨率級別及應用水平等方面建立量化指標，力求全方位、多元化及定量化地研究國內外遙感衛星的差異，為我國民用遙感衛星的應用與發展提供參考依據。

1國內外商用遙感衛星的發展現狀

1.1國外衛星發展現狀

歷經數十年的發展，遙感衛星在資源、氣象、海洋及環境減災等領域已形成成熟的觀測體系。從第一顆遙感衛星發射以來，世界各國均在不斷地改善各項技術指標以提高衛星的空間對地探測能力。1960年美國發射第一顆氣象衛星TIROS-1，標志著遙感氣象衛星發展的開始； 20世紀70年代初，地球資源衛星開始發展，第一代陸地衛星Landsat1—Landsat3問世，隨后美國又陸續發射了Landsat4—Landsat8[9]； 1999年后，資源衛星分辨率進入米(m)級時代，以IKONOS，SPOT，OrbView，IRS，ALOS及RapidEye等為代表的陸地資源衛星迅速發展； 2001年后，以QuickBird為典型代表的高分辨率資源衛星發射，標志著商用陸地資源遙感衛星進入分米(dm)級時代。20世紀80年代末，雷達遙感衛星迅速發展，主要有歐空局ERS、美國SIR-C/X-SAR、加拿大RadarSat、德國TerraSAR及日本JERS等，民用雷達衛星的投入使用令人們在各個應用領域獲取到了比傳統可見光遙感更為詳盡的地物信息[10-12]； 從1960年開始，海洋衛星逐步研發，美國于1978年發射了世界上第一顆海洋動力環境衛星SeaSat。遙感衛星的快速發展，為人們在各應用領域提供了豐富的數據源，使得諸多項目及科學研究更具有真實性、方向性和科學性。

1.2國產民用衛星的發展現狀

我國航天事業歷經40多年的發展，在空間技術、空間應用和空間發展等領域飛速進步[13]。1988年風云一號(FY-1)發射成功，標志著國產遙感氣象衛星發展的開始； 1999—2007年，中巴地球資源系列衛星相繼發射，改變了國外高分辨率衛星數據長期壟斷國內市場的局面[14]； 2010年中國首顆傳輸型立體測繪衛星天繪一號(Mapping Satellite-1,簡稱MS-1或TH-1)成功發射，實現了中國傳輸型立體測繪衛星零的突破； 2011年，成功發射高分辨率業務衛星ZY-1 02C； 2012年成功發射我國首顆民用高分辨率光學傳輸型立體測圖衛星ZY-3； 2013年成功發射GF-1遙感衛星，突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結合的光學遙感等關鍵技術，國產陸地資源衛星的發展又邁上了新的臺階。我國雷達衛星是在新中國成立后根據國防建設的需要逐步形成和發展起來的，2012年環境一號C星(HJ-1C)民用雷達有效載荷首次成像，成功獲取了雷達圖像。20世紀80年代，我國開始重視海洋遙感衛星事業的發展，2002年發射了第一顆專用衛星海洋一號(HY-1)； 2011年我國第一顆海洋動力環境衛星(HY-2)發射成功。國產民用衛星的成功發射與應用，展現了我國衛星產業較為成熟的技術和良性發展的態勢，國產民用衛星有能力為我國經濟社會發展提供真實和高效的影像數據。

2國內外遙感衛星的定量對比內容與量化參數

本文在廣泛搜集國內外主要遙感衛星資料、數據和前人研究成果的基礎，將國產衛星(FY-2，FY-3，CBERS-02B，CBERS-02C，ZY-1，ZY-3，MS-1，GF-1，HY-1，HY-2及HJ-1C)和國外成功的商業衛星(NOAA，OrbView，Meteor，Landsat，GeoEye，MODIS，SPOT，ASTER，PLEIADES，IKONOS，IRS，Quick-Bird，PROBA，WorldView，RapidEye，SeaSat，ERS，JERS，ALOS，RadarSAT，Envisat及TerraSAR)的參數作為評價依據，進行了分析與論證。

2.1研究思路

分析評價的技術流程如圖1所示。首先，利用獲取的國內外衛星資料提取衛星類型、波段覆蓋范圍、空間分辨率和衛星應用領域4個層面的信息，并將每一量化標準設置更加詳細的對比內容和定量指標； 然后，根據各項對比指標進行評估與分析，從量化數據中提取國內外遙感衛星相關信息，發掘國內外衛星在數據提供能力、信息獲取能力和應用效果方面的異同，最終得出相關結論。

圖1　定量化對比分析與評估技術流程

2.2對比內容及其定量參數

2.2.1衛星類型

為了整體把握國內外各種類型遙感衛星的研發程度和發射狀況，本文引入某類衛星數量(n)與衛星總數量(N)的比值(R)來定量評價國內外所發射衛星類別的均衡程度，以便更好地反映某類衛星的優勢程度，R計算公式為

R=n/N×100% 。

(1)

2.2.2波段覆蓋范圍

1)波段覆蓋度(Bc)。為了衡量國內外遙感衛星在波段設置上的差異，從廣度層面對衛星傳感器的波段設置進行評估量化。統計了目前國產民用衛星和國外主要商業衛星可利用波段的覆蓋情況，通過比例參數表現波段覆蓋的范圍大小，利用計算波段覆蓋度Bc。式中：B1和B2分別指衛星能夠覆蓋波譜范圍的始末的波長；B0指紫外、可見光、紅外、熱紅外或微波波譜范圍的中心波長。由于同一類型的波段在相應的范圍內單位相同，故本文忽略波段單位，且公式中的絕對值表示波譜范圍的距離大小。

Bc=|B2-B1|/|B0|×100%

(2)

2)波譜指數(Bρ)。由于所涉及波段范圍的衛星發射數量不同，反映出的波段設置技術水平和提供該波段探測支持的能力強弱也有所不同，因此利用衛星波譜指數的概念，從深度層面進一步分析國內外商業遙感衛星波段設置方面的應用價值。衛星波譜指數Bρ表示為

Bρ=Bi·Bci,

(3)

式中：Bi指能夠探測的i波段范圍遙感衛星的數量；Bci指衛星在i探測波段的覆蓋度。

2.2.3空間分辨率

空間分辨率的精細化水平直接影響遙感影像的信息提取程度。隨著空間對地觀測技術的日益提高，衛星空間分辨率的技術要求也逐步深化，高清晰程度的遙感衛星影像是現在和未來努力追求的目標，超高分辨率衛星的擁有程度也是衡量其應用價值的標準。本文設置空間分辨率優于2.5 m的衛星比例參數(R≤2.5)用以提供分析依據，即

R≤2.5=n′/N′×100% ,

(4)

式中：n′指優于2.5 m(包括2.5 m)分辨率的遙感衛星數量；N′指衛星總數。

2.2.4應用水平

為了更好地掌握國產民用衛星和國外主要商用衛星的應用能力，設置衛星應用對比指數進行評估。令各領域可應用的衛星數量為Uj，國內知名檢索平臺“中國知網(CNKI)”中文獻數量為UCNKI，將文獻數量與衛星數量作比，求出平均每顆衛星涉及的文獻數量，從而體現目前衛星的應用水平UY(CNKI)，即

UY(CNKI)=UCNKI/Uj。

(5)

3國內外商用遙感衛星的量化評估

3.1類型對比

國內外各類型衛星的數量和所占比例的統計數據如表1所示。

表1　衛星類型對比

由表1可以看出，我國在遙感衛星類型設計方面與國外類似，均包含了氣象、資源、海洋和環境減災衛星(為便于分析，本文以具有成像雷達載荷的衛星作代表)4類，在一定程度上說明我國民用衛星有能力為本國用戶在不同應用領域提供各種類型的數據支持。但從所發射的數量來看，我國民用衛星的研發程度弱于國外，其中，資源衛星和雷達衛星與國外差距較大，國外雷達衛星的發射數量是我國的6倍； 氣象衛星和海洋衛星的發射數量與國外基本相當。在我國發射的4類衛星中，比例最大的為資源衛星(50%)，氣象衛星和海洋衛星比例相同(均為20%)，但雷達衛星研發的數量甚少(10%)，表明我國在雷達應用技術層面存在較大不足，雷達數據依舊需要依賴國外衛星支撐。

3.2波段設置對比

對于遙感衛星的評估，其探測器可提供的波譜范圍是重要的評價指標。現以波長λ為橫坐標，設計國內外衛星波段覆蓋范圍對比圖(圖2)。

圖2　衛星波段對比圖

通過統計波段覆蓋范圍和衛星數量，得到波段覆蓋度Bc、波譜指數Bρ和獨有波段Bs。國產與國外商業遙感衛星不同波段范圍的上述3個評價指標如表2所示。

表2　衛星波譜評價表

由圖2和表2可以看出，國產與國外主要商業遙感衛星均涵蓋了紫外、可見光、紅外、熱紅外和微波波段。從波段覆蓋度Bc可知，國內外遙感衛星的可見光波段設置技術較為成熟，該波段的衛星數量最多且波段覆蓋范圍最大，國產民用衛星和國外主要商業衛星的覆蓋度均達到94.21%； 對比波譜指數Bρ發現，國產衛星為7.54，遠小于國外的14.13，說明我國的衛星發射程度不及國外，使得國產民用衛星在應用方面受到一定限制； 國產衛星微波波段的設置明顯落后于國外水平，覆蓋度只達到8.76%，而國外衛星微波波段覆蓋度達到了24.52%，遠遠超過我國。國產民用微波衛星波段指數為0.09，而國外為1.17，說明我國雖然能夠利用微波進行探測，但衛星數量極少，應用波段范圍較窄，空間分辨率等技術指標未能達到國際領先水平； 國外雷達遙感衛星數量頗多，性能較高，空間分辨率可達m級，已在全世界范圍內廣泛應用。國產民用衛星在波段設置方面有優勢，具有獨有波段，能夠填補國際遙感衛星波段設置方面的空白，例如紫外波段的0.16~0.25 μm，熱紅外波段的6.3~6.535 μm，微波波段的25~30 mm。因此我國應發揚優勢，完善不足。

3.3空間分辨率對比

空間分辨率是遙感衛星最重要的參數之一。空間分辨率不同，對于識別影像上地物信息的能力也就不同[15]。本文對國產民用衛星和國外主要商業衛星的空間分辨率進行統計分析，其結果見表3。

表3　衛星空間分辨率對比

由表3可以看出，對于中級以上空間分辨率(分辨率dam級以上)，我國衛星多集中于dam級和m級，在超高空間分辨率影像的獲取上與國外有一定的差距。在我國現有的遙感衛星中，缺少dm級分辨率的衛星，這將是未來我國衛星產業需要著重完善與發展的技術層面。

3.4應用領域對比

為了進一步分析目前國產民用衛星和國外主要商業衛星在應用能力和水平上的差異，本文采用已經發布的研究成果(即文獻數量)作為量化標準進行對比評估。統一采用“主題(應用領域)； 標題(衛星名稱)”的形式進行查詢。由于國內外衛星首次發射時間不同，國產衛星與國外衛星相比起步較晚，故將我國民用衛星最早發射時間作為時間起點，即以1988—2014為時間跨度進行文獻數量查詢。雖然檢索結果有一定的誤差，但查找的文獻數量也能夠說明一定的問題。統計結果見表4。

表4　衛星應用領域對比

由表4可以看出，國內外遙感衛星均可應用于多種研究領域，但相比國外主要商業衛星，國產民用衛星的可供選擇數量較少。CNKI檢索平臺的檢索結果表明，應用國外主要商業衛星的研究成果比應用國產民用衛星的高出5倍。在每一研究領域中，單顆衛星的應用率均低于國外衛星； 但對于國際重點應用領域，如環境遙感和測繪，國產民用衛星也占有較高比重，說明國產民用衛星雖起步較晚，但有能力應用于各熱門領域。上述文獻數量的巨大差距表明，國產民用衛星的技術水平及應用能力與國外主要商業衛星相比依然存在較大差距，目前國內外的研究者依舊較多采用國外遙感數據。目前我國國產民用衛星多用于支撐我國的土地調查、國土資源遙感監測等領域。為了能夠使國產民用衛星較為獨立地在各領域發揮作用，我國應努力研發更多可用衛星，為我國各應用領域提供更加有利的技術支撐。

4結論

1)國產民用衛星與國外主要商業衛星的應用種類相同，但發射數量明顯少于國外，尤其資源衛星和雷達衛星與國外差距較大，說明我國在陸地資源衛星和雷達衛星的研發上仍有不足。

2)國產民用衛星的波段設置與國外衛星相當，在各波譜類型中具有較高的波段覆蓋度，且我國民用衛星具有一些獨有波段可以用來填補國外衛星的空白。但國產民用衛星的發射程度與國外有一定差距，具有微波波段的民用衛星甚少，在相應領域的研究仍需要較多地采用國外數據。

3)目前我國可達到中級以上空間分辨率的民用遙感衛星多集中于dam級和m級，而具有dm級以上的超高分辨率衛星尚屬空白。

4)國產民用衛星與國外主要商業衛星均可服務于多種應用領域，但與國外主要商業衛星相比，各領域可供選擇的國產民用衛星數量較少，應用能力和水平不及國外衛星，多服務于本國的資源調查研究，商業化程度較低，對于在世界范圍內的應用潛力發揮還存在諸多限制。

5)國產民用衛星較國外衛星起步較晚，衛星數量與能力相對較弱。但通過比較發現，國產民用衛星仍有能力與國外衛星匹敵，甚至在某些方面已經超過了國外衛星。因此，國產民用衛星不論在技術指標還是應用能力方面都有相當大的發展潛能。

6)應大力支持國產民用衛星的發展，提高國產衛星的應用頻率與質量。只有不斷地讓其在各應用領域發揮作用，并努力打入國際市場，才會促進國產民用衛星的不斷成長和強大。

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(責任編輯： 刁淑娟)

Quantitative analysis and evaluation of domestic and overseas commercial RS satellites

MA Yue1, JIANG Qigang1, LI Yuanhua1, XIAO Chenchao2, FU Changliang2

(1.CollegeofGeo-ExplorationScienceandTechnology,JilinUniversity,Changchun130026,China; 2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China)

Abstract:In order to investigate the differences between domestic and foreign commercial RS satellites, evaluate the capability of data provision, data acquisition and application effect, measure the extent of their achieving the basic needs of RS in China, the authors conducted a comprehensive investigation and statistic analysis of RS satellites used in China and abroad and set some indices, such as satellite type, band coverage and satellite resolution, with the purpose of making quantitative analysis and comparison of the capability of domestic and foreign satellites. The results show that the types of domestic satellites and spectra are relatively complete, but the number of satellites is less and the band coverage of domestic satellites is less than that of foreign satellites. In addition, the gap of capability of obtaining ultra-high spatial resolution image between domestic and overseas RS satellite is relatively large, and China lacks decimeter level resolution RS satellites. As for application effect, the number of papers on CNKI about the foreign satellites is five times that about domestic satellites. In each field, the utility ratio of single domestic satellite is lower in comparison with that of the foreign satellite. Nevertheless, domestic satellites have higher application potential than foreign satellites in some aspects, and hence they will play a powerful role in the future.

Keywords:domestic and overseas commercial RS satellite; quantitative parameters; capability evaluation; contrastive analysis

作者簡介：第一 馬玥(1990-)，女，碩士研究生，主要從事資源環境遙感與GIS應用方面的研究。Email: 1191394162@qq.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0001-06

基金項目：中國地質調查局項目“基于國產衛星境外地質勘查信息提取技術和流程研究”(編號： 12120113099200)和“東北界河地區國土資源遙感調查”(編號： 1212011220105)共同資助。

收稿日期：2014-09-05；

修訂日期：2015-02-27

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.01

引用格式： 馬玥,姜琦剛,李遠華,等.國內外商用遙感衛星的定量化對比分析與評估[J].國土資源遙感,2016,28(1):1-6.(Ma Y,Jiang Q G,Li Y H,et al.Quantitative analysis and evaluation of domestic and overseas commercial RS satellites[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):1-6.)