面向地災應急的國產衛星觀測能力分析

董毅博，李海峰,2，周曉光

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

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面向地災應急的國產衛星觀測能力分析

董毅博1，李海峰1,2，周曉光1

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

摘要：針對國產衛星系統在災害應急觀測任務中的覆蓋能力并不完全明確的問題，對適用于地質災害應急觀測的國產衛星進行模擬仿真，利用網格點法從空間和時間兩個維度對衛星的覆蓋情況進行統計分析，深入研究國產衛星在應急響應、重復觀測以及復合觀測三方面的覆蓋能力，并為災后應急任務制定和我國災害監測系統的發展提供建議。

關鍵詞：國產衛星；地質災害；應急觀測；覆蓋能力

我國地質環境復雜，地殼構造活動強烈，地震、滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生，給人民生命財產造成了巨大損失。衛星遙感技術以其全天候、近實時的特點在災后應急響應中發揮越來越重要的作用。2008年的汶川地震中，來自12個國家的24顆衛星提供了包括622景災前影像在內的1 257景影像[1]，為災后的緊急救援和損失評估提供了有效的災情信息。但是在這次地震中，我國衛星暴露出觀測的時效性不足的問題，也就是直到48 h后，應急中心才獲取了CBERS-02B提供的災區影像。因此一個自然的問題是，雖然我國對地觀測衛星體系已經初具規模，然而在這種規模下，其時間和空間覆蓋能力是否可以滿足災害應急觀測的要求？

目前國產衛星系統覆蓋能力不完全明確的問題主要表現在以下幾方面：①災害響應速度不明確。汶川地震后第一幅高分辨率遙感影像是通過“空間與重大災害國際憲章”(CHARTER)機制獲取的Fomosat-2影像，而在甘肅定西地震中，當日12:30即接收到了來自SJ-9的影像數據。災后多長時間能夠獲取衛星影像，不同地區的響應速度是否有差異，對于這樣的問題目前還沒有一個明確的說法。②重復觀測周期不明確。當前衛星多為太陽同步軌道，單顆衛星通過側擺等形式能夠實現任意地點3～5 d的重訪，但在多星聯合觀測的情況下，當前衛星系統能否實現更短時間的重復觀測不夠明確。③復合觀測能力的不確定，不同目的的觀測對影像種類、分辨率的需求不同。宏觀的災情觀測需要寬覆蓋大范圍的影像，而災后的損毀評估則需要更加精細的高分辨率影像，但我國的遙感衛星系統建設采用部門所有制，已有的衛星系統在能力配置、載荷搭配等方面存在統籌規劃和能力配置不足的問題，各部門衛星在協同觀測時提供多尺度、不同類型影像的能力不確定。當前的研究中，通過衛星載荷參數配置評估其滿足災害需求的能力的方法[2-4]，僅限于對單顆衛星的理論覆蓋能力進行評估；而在宏觀層面對我國衛星系統應災能力的研究[5,6]，并沒有提出具體評估和計算方法，且在能力描述上比較模糊。

針對以上問題，本文以中國陸地及主要島嶼為研究區域，對國產衛星進行模擬仿真，利用網格點法計算得到其對地面目標的時間窗口，以此為基礎，在時間和空間兩個維度對時間窗口進行統計分析，得到國產衛星在面向地災應急任務時的應急響

應規律、重復觀測能力和復合觀測能力，為我國地質災害的災后應急任務制定和我國衛星系統的發展提供參考。

1研究方法

1.1衛星覆蓋模型

成像衛星的覆蓋范圍是衛星對地面的有效可視范圍，是指衛星在高速運動狀態下對地面進行成像時，最大側視角在地面上形成的一條寬度為可視幅寬并以星下點軌跡為中線的帶狀區域，覆蓋范圍內的成像任務都可能被衛星實施，其中最大側視角是由視場角加上側擺角得到的，衛星覆蓋模型如圖1所示。

圖1　衛星覆蓋模型

1.2國產衛星選取

自1988年風云一號成功發射以來，我國已初步建立起風云系列、資源系列、環境減災系列、高分系列等對地觀測衛星。根據地質災害應急觀測任務的需求[7]，本文選取資源衛星應用中心對外提供數據業務的陸地衛星GF-1、GF-2、HJ-1A、HJ-1B、ZY-1 02C、ZY-3[8]，屢次為地質災害提供技術支持的試驗衛星SJ-9A、SJ-9B[9]以及于2014-12-07發射的CBERS-04[10]共9顆在軌運行衛星作為覆蓋能力的研究對象。

1.3觀測區域的格網點法剖分

對衛星覆蓋的解算方法有解析法和網格點數值仿真法兩種[11]，解析法適合計算單顆衛星的地面覆蓋情況，在多顆衛星覆蓋區發生重疊時，無法提供完整的地面覆蓋信息，且精度有限；網格點數值仿真法簡稱網格點法，與解析法相比，具有計算精度高，且適用于任意類型的軌道和各種復雜覆蓋形狀的載荷等優點[12]，但會隨網格密度的增加和仿真周期的增加而增大計算量。通過合理地設置網格密度和仿真周期，利用網格點法對我國衛星進行覆蓋分析能夠兼顧效率與準確性。

1)格網點劃分。根據我國地質災害分布特點[13]，選定我國陸地、臺灣島以及海南島作為研究區域。由于我國衛星的載荷幅寬大多在50 km以上，個別幅寬在50 km以下的載荷通過側擺能夠擁有幾百千米的可視幅寬，因此，將研究區域以等面積的形式劃分為間隔50 km的格網點，共計3 794個。

2)實驗周期設定。由于各載荷的重訪周期最長為26 d，為獲得更全面的數據，實驗仿真時長必需大于此周期，因此本文設定實驗周期為CBERS-04發射后的第一個月份2015-01，共計31 d。

3)網格點覆蓋判定。利用美國AGI公司的衛星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)[14]的Access接口，能夠準確獲取衛星sat載荷sensor對地面目標的時間窗口集合W={w}，集合中元素w(k)={tstart,tstop,sat,sensor}為按時間排序后的第k個時間窗口，tstart表示開始時間，tstop表示結束時間。

基于以上考慮，本文利用網格點法獲取我國9顆衛星19個載荷對3 749個地面目標從2015-01-01—2015-01-31為期31d的所有時間窗口，作為覆蓋能力分析的數據基礎。

2覆蓋能力分析

在接下來的研究中，將首先以受地質災害影響較為嚴重的云南省的省會昆明市所在網格的網格點i(經緯度102.60°E,25.21°N)為例，分析衛星系統對單個網格點的覆蓋情況。通過對網格點的時間窗口進行分類統計，得到單個網格點時間維度的覆蓋能力；然后從空間上分析全國范圍內不同網格點的分布規律，從而得到空間維度的覆蓋能力。

2.1應急響應能力

2.1.1時間窗口分布

時間窗口分布是指衛星載荷對地面目標的觀測分布在一天的哪些時刻，通過時間窗口的分布情況能夠得到不同時刻的應急響應速度，繼而衡量出衛星的應急響應能力。首先，對集合Wi進行預處理，忽略元素wi的字段tstart的日期部分，僅保留時間部分；然后以小時為采樣間隔進行計數統計。通過分析，得到63.7%的時間窗口分布在11:00—12:00之間，剩余36.3%分布在12:00—13:00之間。由于選取衛星均為太陽同步軌道設計，在降軌成像時于地方時10:30通過赤道上空，因此，衛星對同一目標的觀測時間也應該較為固定，但受全世界時區離散劃分的方式以及側擺的影響，最終衛星對同一目標的觀測并非保持在某一固定的時刻而是分布在一定的時間范圍內。由此得知，在天氣條件允許的情況下，國產衛星在對昆明地區的觀測均發生在中午11:00—13:00之間。因此，當昆明地區需要應急觀測時，來自上午的請求能夠在當天完成，而下午的請求則需要到第2天中午才能完成，此時應考慮使用國外或軍用衛星，或是利用航空觀測技術完成，以便盡快獲取災情信息。

2.1.2全國范圍內的時間窗口分布

利用上述方法對全國范圍內的網格點的時間窗口分布情況進行統計，得到圖2。通過圖2可以得出衛星對全國任意網格觀測的時間范圍，進而對觀測任務的規劃和制定進行科學優化。

圖2　全國分時段覆蓋統計

從圖2中可以看出，衛星對全國網格的覆蓋分布在8:00—15:00之間，覆蓋時刻由東向西逐漸延后，形成這樣的分布規律的原因在前文中已經說明。因此，國產衛星的應急響應能力具有上午較快，下午較慢，響應速度不均勻的特點。

2.2重復觀測能力

2.2.1協同重訪時間

2.2.2每日覆蓋次數

在每天都能完成一次覆蓋的情況下，以天為單位對網格點i的覆蓋次數進行統計，得到每日覆蓋次數，如圖3所示。統計結果顯示，1月18日與1月24日達到最多的10次覆蓋，1月19日和1月31日只覆蓋1次，平均每日覆蓋5.4次。

圖3　網格點i每日覆蓋次數

全國范圍網格點的日平均覆蓋次數如圖4所示。

圖4　全國網格日均覆蓋次數

圖4表明，網格覆蓋次數隨緯度增高而增多，且覆蓋次數在衛星軌道運行方向上呈現出條帶狀分布的特點。根據分析，這樣的分布規律與太陽同步回歸軌道的特點相關，國產衛星的回歸周期大多為60 d左右，而實驗仿真周期為31 d，因此在覆蓋次數的分布上呈現出一半條帶覆蓋次數較多而一半較少的特點，這反應了我國中低緯度地區各點的覆蓋次數會呈現出周期性的波動。

基于協同重訪時間和日均覆蓋次數兩方面的分析，能夠對我國衛星的重復觀測能力有一個大致的了解：我國衛星在協同觀測時具備了全國任意地點1 d內重訪的重復觀測能力和部分地區短時間多次觀測的凝視觀測能力。

2.3復合觀測能力

2.3.1復合觀測能力

地災觀測需要高時間、高空間、高光譜等高性能觀測能力，但受技術限制，每種載荷通常只能在一方面具有高性能的觀測能力，例如寬幅載荷通常只能提供中低分辨率影像，而高光譜載荷的覆蓋能力和空間分辨率相對較低，復合觀測能力就是各類載荷組合觀測滿足需求的能力。本文根據我國衛星載荷的特點將其分為4類：全色波段優于5 m多光譜優于10 m的高分辨率載荷，寬覆蓋中低分辨率載荷，紅外載荷和高光譜載荷，下面將分別對其進行覆蓋能力分析。首先根據集合Wi中sensor字段分成4個子集，然后以天為單位根據各子集元素wi的字段tstart進行統計，得到協同重訪時間、一日覆蓋率和日均覆蓋次數3個反映衛星覆蓋能力的指標。其中，協同重訪時間上文中已經介紹過；一日覆蓋率指1d內完成覆蓋的概率，由覆蓋天數除以總天數得到，能夠反映觀測資源的重復觀測能力；日均覆蓋次數通過覆蓋總次數除以覆蓋天數得到，反映了觀測資源的凝視觀測能力。統計結果如表1所示。

表1　網格點i四類載荷覆蓋情況統計

注：括號內為2日覆蓋率和3日覆蓋率

通過表1能夠得出我國衛星針對昆明地區的地災符合觀測能力：①基本實現1d內高分辨率應急響應；②特定目標日均3.5次凝視觀測；③2d內中低分辨率大范圍宏觀覆蓋；④4d內多尺度，多類型立體觀測。

2.3.2全國范圍的復合觀測能力

利用上述方法對全國范圍內網格點的一日覆蓋率進行統計，結果如圖5所示。

圖5　不同載荷全國范圍一日覆蓋率分布圖

以高分辨率載荷為例，從圖中可以了解到，全國3 794個網格中有578個網格的一日覆蓋率為100%，表明實驗區15.23%的地區能夠實現每天至少一次的覆蓋；有40個網格的一日覆蓋率為最低的87.1%，占實驗區面積的1.05%，意味著這些地區每天被覆蓋到的概率為87.1%，或者說如果觀測周期為100d的話，其中有87d會被覆蓋到。中低分辨率載荷雖然數量上比高分辨率載荷少，但幅寬均在700km以上，使得42.2%的地區實現了每天100%覆蓋。由于紅外載荷與高光譜載荷數量相對較少且多數幅寬相對較窄，所以一日覆蓋率相對較低。

綜上所述，國產衛星能夠在短期(4d)內為全國任意地區提供多種類型的影像數據，但尚不能實現所有地區各類型載荷1d內重訪，多類型立體應急觀測能力有待進一步提高。

3結束語

針對地質災害應急任務，國產衛星通過協同觀測具備了全國任意地點1d內重訪的重復觀測能力和部分地區短時間多次觀測的凝視觀測能力，而任意地點不同分辨率各類型影像數據也能夠在4d內獲取。我國衛星在近年來的重大地質災害中發揮了巨大的作用，中巴地球資源衛星、高分一號和實踐九號等作為空間和重大災害國際憲章組織的值班衛星，更是為世界范圍內重大自然災害提供了援助。但是，目前國產衛星的覆蓋能力距離災害應急觀測的需求還有一定差距：不具備全天時觀測能力，同一地區每天只有2～3h能夠被觀測到；不具備全天候觀測能力，僅有環境一號C星一顆微波遙感衛星，絕大多數為光學衛星，在夜晚及陰雨天氣情況下無法進行觀測；多類型立體觀測能力不強，載荷類型不夠豐富，紅外載荷與高光譜載荷數量較少；高分辨率觀測能力較弱，優于1m空間分辨率的衛星數量過少。因此，從提高覆蓋能力的角度出發，我國的空間災害監測系統可從兩方面發展，一是進一步發展現有對地觀測體系，豐富載荷類型，加強微波遙感衛星建設，提高衛星空間分辨率，采用多星星座組網工作模式；另外，積極發射類似于快舟系列的小衛星，構建類似于美國PlanetLab的由一百多顆小衛星組成的Flock系統。

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[責任編輯：劉文霞]

Observing capability analysis of domestic satellites in geological hazard oriented emergencies

DONG Yibo1，LI Haifeng1，2，ZHOU Xiaoguang1

(1.School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China；2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

Abstract：In the hazard emergency observation task，the uncertain coverage capability of current domestic satellite system is a problem to be solved.In this paper，the time window of Geological hazard-oriented satellites are obtained by simulation at first.Then analysis is conducted in both spatial aspect and temporal aspect by using grid point method.Next the emergency response capabilities，repeated observation capabilities and composite observation capabilities are calculated separately on the statistics.Finally，some suggestions are put forward based on the study.

Key words：domestic satellites;geological hazard;emergency observation;coverage capability

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.07.011

收稿日期：2015-03-30

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA121301)

作者簡介：董毅博(1989-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：V19

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)07-0051-06