高分三號(hào)衛(wèi)星水利應(yīng)用及示范應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

● 文 | .水利部信息中心 .中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 陳德清 馬建威 崔倩

一、引言

高分三號(hào)（GF-3）衛(wèi)星在2016年8月10日成功發(fā)射，是我國(guó)首顆分辨率達(dá)到1m的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像衛(wèi)星，具備聚束、全極化條帶、波成像等12種成像模式。在不同成像模式下，其空間分辨率從1 m到500 m，幅寬則從10 km到650 km。經(jīng)過5個(gè)多月的在軌運(yùn)行測(cè)試后，GF-3衛(wèi)星于2017年1月23日正式投入使用，目前已經(jīng)應(yīng)用到各行各業(yè)中。

當(dāng)前，我國(guó)洪澇、干旱災(zāi)害和水資源短缺等水問題突出，地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前還不能實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。GF-3衛(wèi)星具有全天候/全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)能力，可以不分晝夜、陰雨天氣進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)。針對(duì)洪澇干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水資源管理等水利應(yīng)用需求，開展基于可以常態(tài)化接收的國(guó)產(chǎn)GF-3雷達(dá)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水體等專題信息的自動(dòng)化提取研究，可以有效補(bǔ)充地面監(jiān)測(cè)能力的不足，提升我國(guó)水利監(jiān)測(cè)能力。

作為GF-3衛(wèi)星主用戶之一，水利部信息中心聯(lián)合中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，開展GF-3衛(wèi)星在地表水體監(jiān)測(cè)、洪澇監(jiān)測(cè)、干旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)測(cè)等方面的技術(shù)攻關(guān)及應(yīng)用研究，包括理論方法及技術(shù)流程。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了GF-3衛(wèi)星水利示范應(yīng)用系統(tǒng)，并在示范區(qū)對(duì)提出的算法和技術(shù)流程進(jìn)行了檢驗(yàn)。

二、高分三號(hào)衛(wèi)星水利應(yīng)用

1．地表水體及水源地監(jiān)測(cè)

利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取地表水體范圍，首先，對(duì)SAR影像進(jìn)行預(yù)處理，開展水體后向散射特征分析研究，優(yōu)選水體提取的最佳入射角、波段和極化方式；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同極化模式的GF-3 SAR圖像，進(jìn)一步進(jìn)行水體提取的模型方法分析研究；最后根據(jù)提出的模型方法，提取水體范圍信息。基于GF-3數(shù)據(jù)的地表水源地水體監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，利用2016年10月9日精細(xì)條帶模式1的GF-3影像，精確提取河北省崗南水庫水體范圍，如圖1所示。

2．洪澇監(jiān)測(cè)

洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)主要利用高分衛(wèi)星影像，基于數(shù)字圖像處理、遙感專題信息提取等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)洪澇災(zāi)害淹沒范圍監(jiān)測(cè)，并在基礎(chǔ)地理信息以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的支持下，開展洪澇災(zāi)害快速評(píng)估。具體方法為：首先，應(yīng)用GF-1或GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取常規(guī)條件下的背景水體；然后，利用GF-3數(shù)據(jù)提取洪澇發(fā)生時(shí)水體范圍，通過疊加運(yùn)算提取洪澇淹沒范圍；最后通過開展多期監(jiān)測(cè)，獲取淹沒歷時(shí)，結(jié)合土地利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等基礎(chǔ)背景數(shù)據(jù)，開展災(zāi)害損失評(píng)估。基于洪澇災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)流程，利用2017年7月14日標(biāo)準(zhǔn)模式的GF-3影像，對(duì)吉林市市轄區(qū)和永吉縣進(jìn)行洪澇監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示洪水淹沒區(qū)主要集中在吉林市境內(nèi)的溫德河和鰲龍河附近，如圖2所示。

圖2 高分三號(hào)衛(wèi)星洪澇監(jiān)測(cè)樣例（吉林市市轄區(qū)和永吉縣）

3．旱情監(jiān)測(cè)

通過兩種方法來進(jìn)行旱情監(jiān)測(cè)，第一種方法監(jiān)測(cè)土壤含水量，依據(jù)旱情等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的旱情等級(jí)。第二種為提取監(jiān)測(cè)區(qū)域的水體范圍，通過水面面積變化來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的旱情信息。

（1）土壤含水量監(jiān)測(cè)

利用GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)地表穿透性和地表的后向散射特征獲取地表土壤含水量，并利用高光譜數(shù)據(jù)去除植被冠層水分的影響。

基于GF-3數(shù)據(jù)的土壤含水量監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程，利用2017年2月5日全極化條帶模式1的GF-3影像，反演得到安徽省固始縣的土壤含水量分布圖，如圖3所示。

圖3 高分三號(hào)土壤含水量監(jiān)測(cè)樣例（安徽省固始縣）

（2）基于水體面積變化

基于GF-3衛(wèi)星對(duì)水體提取的能力，與可見光遙感一起用于定期提取監(jiān)測(cè)區(qū)域的水體。監(jiān)測(cè)區(qū)地表水體面積的變化是評(píng)價(jià)區(qū)域旱情的一項(xiàng)重要指標(biāo)。其中水體提取的技術(shù)流程與地表水體監(jiān)測(cè)一致。基于GF-3數(shù)據(jù)的水面面積變化提取技術(shù)流程，利用2016年12月14日精細(xì)條帶模式2的GF-3影像，提取鄱陽湖水體范圍。利用多期多源影像數(shù)據(jù)，得到1996年到2016年鄱陽湖水體面積變化，如圖4所示。可以看到，夏季水體面積最大，1996—2016年，鄱陽湖水體面積整體變化不大。

圖4 高分三號(hào)水體面積變化監(jiān)測(cè)樣例（鄱陽湖）

4.水利工程監(jiān)測(cè)

通常情況下，光學(xué)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)水體工程更具有優(yōu)勢(shì)，GF-3衛(wèi)星對(duì)于水利工程監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是在天氣惡劣條件下對(duì)水利工程運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以及決口、垮壩、漫溢等險(xiǎn)情的監(jiān)測(cè)。基于GF-3數(shù)據(jù)的水利工程監(jiān)測(cè)的技術(shù)流程，利用2016年11月14日精細(xì)條帶模式2的GF-3影像，對(duì)湖北省赤壁市陸水水庫大壩及附近垸堤進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示。

三、應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)與業(yè)務(wù)化運(yùn)行

GF-3衛(wèi)星水利應(yīng)用示范基于高分水利遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)開展，針對(duì)水利應(yīng)用迫切需求，突破地表水體快速提取、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、旱情監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)。

系統(tǒng)通過搭建軟、硬件支撐平臺(tái)，建設(shè)為各業(yè)務(wù)應(yīng)用分系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、并行計(jì)算與協(xié)同作業(yè)以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分發(fā)服務(wù)的平臺(tái)支撐分系統(tǒng)，以及完成各類專題產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。

1．應(yīng)用系統(tǒng)組成

GF-3衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)的邏輯組成如圖6所示，包括4個(gè)高分水利專題應(yīng)用分系統(tǒng)和4個(gè)高分水利遙感應(yīng)用示范平臺(tái)支撐類分系統(tǒng)。

圖5 基于高分三號(hào)的水利工程監(jiān)測(cè)樣例（湖北省赤壁市陸水水庫大壩）

專題應(yīng)用子系統(tǒng)包括水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和管理分系統(tǒng)、水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、水利工程監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)分系統(tǒng)、水利基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)，用于生產(chǎn)水利專題應(yīng)用產(chǎn)品。

平臺(tái)支撐類子系統(tǒng)包括水利高分?jǐn)?shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)、水利高分?jǐn)?shù)據(jù)處理分系統(tǒng)和水利高分產(chǎn)品服務(wù)與分發(fā)分系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品管理、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)產(chǎn)品的共享與服務(wù)。

圖6 高分三號(hào)衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)組成

2．系統(tǒng)架構(gòu)

GF-3衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)與中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心和應(yīng)用技術(shù)中心連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)文件和共性技術(shù)軟件模塊交換。系統(tǒng)內(nèi)部以水利業(yè)務(wù)網(wǎng)為運(yùn)行管理環(huán)境，集成水資源監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)和管理分系統(tǒng)、水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)、水利工程監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)分系統(tǒng)、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)與更新分系統(tǒng)，支撐GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的水利示范應(yīng)用。通過高分水利遙感應(yīng)用示范的開展，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)行和水利應(yīng)用專題產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)和共享服務(wù)。通過示范區(qū)開展應(yīng)用示范，逐步實(shí)現(xiàn)GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在水利遙感監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

圖7 高分三號(hào)衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)構(gòu)架

3．系統(tǒng)接口

GF-3衛(wèi)星應(yīng)用示范系統(tǒng)的外部接口包括數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)和水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)兩個(gè)方向。數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)對(duì)象包含中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心和其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供單位。系統(tǒng)中水利高分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)的GF-3數(shù)據(jù)接入模塊可以向數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)提交GF-3遙感衛(wèi)星的數(shù)據(jù)申請(qǐng)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)推送來的GF-3數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、質(zhì)量檢查和歸檔入庫。水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)包括防汛抗旱指揮系統(tǒng)、國(guó)家水資源監(jiān)控能力建設(shè)系統(tǒng)等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。高分水利遙感應(yīng)用示范系統(tǒng)與水利業(yè)務(wù)系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)、服務(wù)等的共享。

GF-3衛(wèi)星應(yīng)用示范系統(tǒng)內(nèi)部接口包括以水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理子系統(tǒng)為中心的指令流流轉(zhuǎn)接口和以水利高分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)為中心的數(shù)據(jù)流流轉(zhuǎn)接口。

4．系統(tǒng)流程

圍繞將GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于水利主體業(yè)務(wù)需求，GF-3衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)的常規(guī)業(yè)務(wù)流程可劃分為六個(gè)階段，分別為任務(wù)創(chuàng)建、數(shù)據(jù)獲取、標(biāo)準(zhǔn)化處理、專題應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)、任務(wù)跟蹤和反饋以及產(chǎn)品發(fā)布階段（如圖8）。

業(yè)務(wù)部門接到任務(wù)后，通過業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)及子任務(wù)的創(chuàng)建。

圖8 高分三號(hào)衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

水利高分?jǐn)?shù)據(jù)管理分系統(tǒng)接收任務(wù)單。根據(jù)任務(wù)單進(jìn)行GF-3數(shù)據(jù)提取或申請(qǐng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查合格的GF-3數(shù)據(jù)由水利高分?jǐn)?shù)據(jù)管理分系統(tǒng)完成歸檔。任務(wù)單完成后將任務(wù)單完成情況反饋至水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)接收任務(wù)單。對(duì)待處理的GF-3數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理、歸檔。并將任務(wù)單完成情況反饋至水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)以任務(wù)單的方式通知其他水利業(yè)務(wù)應(yīng)用分系統(tǒng)。業(yè)務(wù)應(yīng)用分系統(tǒng)接收任務(wù)單，對(duì)待處理的GF-3標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用處理，將處理后的水利專題產(chǎn)品歸檔。完成任務(wù)單后將結(jié)果信息返回水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

水利高分業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)監(jiān)控跟蹤任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)，判斷任務(wù)的完成情況；當(dāng)任務(wù)完成時(shí)，將任務(wù)完成信息反饋至業(yè)務(wù)運(yùn)行管理分系統(tǒng)。

通過水利高分產(chǎn)品服務(wù)與分發(fā)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GF-3各級(jí)產(chǎn)品的推送與分發(fā)。

5．?dāng)?shù)據(jù)流程

GF-3衛(wèi)星水利應(yīng)用示范系統(tǒng)數(shù)據(jù)從高分?jǐn)?shù)據(jù)中心獲取1-2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，按后續(xù)處理需要，生成水利1-3級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與水利數(shù)據(jù)產(chǎn)品作為專題應(yīng)用分系統(tǒng)的輸入源，由專題應(yīng)用分系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)4級(jí)水利專題應(yīng)用產(chǎn)品，由數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行分發(fā)，其間每一級(jí)產(chǎn)品都將數(shù)據(jù)歸檔到磁盤陣列。

6．GF-3水利示范應(yīng)用系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

水利應(yīng)用示范系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1） 實(shí)現(xiàn)基于GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地表水體快速提取、土壤含水量監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、干旱監(jiān)測(cè)和水利工程監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)突破。

2）形成基于GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表水體監(jiān)測(cè)、土壤含水量監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、干旱監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)測(cè)等5項(xiàng)技術(shù)規(guī)范和指標(biāo)體系。

3）形成4類14種專題產(chǎn)品。

4）具備每天不低于10000km2的專題產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

7．GF-3水利示范應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行和示范應(yīng)用

系統(tǒng)主要在河北省崗南水庫、淮河中游干流、安徽北部平原區(qū)、長(zhǎng)江中下游等示范區(qū)，開展GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)地表水體提取、洪澇范圍監(jiān)測(cè)、土壤含水量反演、堤防提取等典型示范應(yīng)用，并在全國(guó)其他區(qū)域的開展和推廣GF-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

四、結(jié)論

GF-3衛(wèi)星為水資源管理、水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、梳理工程監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。通過對(duì)基于高分三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地表水體快速提取、土壤含水量監(jiān)測(cè)、洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。研發(fā)相應(yīng)的模型和軟件模塊，規(guī)范產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)流程，為批量化、業(yè)務(wù)化生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。搭建了由數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)處理和共享服務(wù)等功能組成的支撐平臺(tái)系統(tǒng)和各類專題產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)流程以及技術(shù)指標(biāo)。在示范區(qū)對(duì)專題產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。結(jié)果表明基于高分三號(hào)衛(wèi)星的專題產(chǎn)品可以有效補(bǔ)充高分光學(xué)衛(wèi)星在惡劣天氣條件下數(shù)據(jù)的不足，產(chǎn)品生產(chǎn)能力可以滿足任務(wù)需求，產(chǎn)品質(zhì)量在規(guī)范控制條件下可以滿足業(yè)務(wù)要求，能夠?yàn)樗Y源日常監(jiān)測(cè)、水旱災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利工程監(jiān)測(cè)等提供有力的支撐。