吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用成果

文 | 賀小軍 李竺強(qiáng) 秦小寶 馬經(jīng)宇 江晟

長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司

一、吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星簡介

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星于2019年1月“一箭雙星”發(fā)射，單星質(zhì)量為205kg，攜帶了多光譜成像儀、短波紅外相機(jī)、中波紅外相機(jī)、長波紅外相機(jī)、星上AI智能處理系統(tǒng)、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）船舶報(bào)文接收機(jī)、北斗短報(bào)文通信終端等有效載荷，可以實(shí)現(xiàn)5m分辨率、110km幅寬、26譜段的遙感數(shù)據(jù)獲取，可以每天搜集全球船舶信息，針對用戶對艦船識(shí)別的迫切需求，增加基于星上AI智能處理的艦船識(shí)別與監(jiān)測，應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間可控制在1分鐘以內(nèi)。吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星性能參數(shù)如表1所示。

表1 光譜衛(wèi)星性能指標(biāo)

續(xù)表1

二、衛(wèi)星業(yè)務(wù)模式

1.光學(xué)遙感

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可獲取可見近紅外到長波紅外的26個(gè)光譜譜段數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對全球的時(shí)相豐富、光照穩(wěn)定、光譜精細(xì)的高頻次覆蓋。每天每顆星可實(shí)現(xiàn)55萬平方千米有效區(qū)域數(shù)據(jù)獲取，兩顆星可獲取110萬平方千米以上；不考慮天氣因素，14天可覆蓋全國；考慮天氣因素，45天可覆蓋全國。

該功能可為用戶提供大區(qū)域的資源調(diào)查以及變化監(jiān)測，利用豐富的特征譜段，對植物生長特性、分布特性等進(jìn)行精確量化分析。該模式除對地觀測外，還能夠?qū)υ虑?、恒星、衛(wèi)星等空間目標(biāo)進(jìn)行觀測，獲取目標(biāo)的光譜數(shù)據(jù)。

2.AIS船舶報(bào)文搜集

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可獲取全球船舶報(bào)文數(shù)據(jù)，利用AIS報(bào)文中所包含的船舶類型、航速、航向、目的港、經(jīng)緯度位置等信息，為用戶提供高頻次更新的全球船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，為全球物流分析、宏觀經(jīng)濟(jì)分析以及航道安全監(jiān)測等提供服務(wù)。

3.在軌AI智能處理

通過在軌AI系統(tǒng)，對星上圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、特征提取等功能。

4.地溫監(jiān)測

通過光學(xué)遙感模式中的中波及長波紅外載荷融合應(yīng)用，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可獲取長波紅外及中波紅外數(shù)據(jù)，對全球進(jìn)行地溫監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對全球晝夜地表溫度的快速更新，可滿足地表溫度的變化監(jiān)測，用于防火預(yù)警、全球氣候變暖等分析。

5.火點(diǎn)識(shí)別

通過光學(xué)遙感模式中波、長波紅外載荷與在軌AI智能處理的融合應(yīng)用，結(jié)合長波紅外、中波紅外以及星上AI智能處理系統(tǒng)，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可星上自主實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)識(shí)別，并將火點(diǎn)位下發(fā)給地面用戶，提升林火救災(zāi)響應(yīng)速度。

6.船舶自動(dòng)監(jiān)測

通過光學(xué)遙感模式中的多光譜儀載荷與在軌AI智能處理功能的融合應(yīng)用，利用AIS船舶報(bào)文中的經(jīng)緯度信息，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可星上自主規(guī)劃任務(wù)，對目標(biāo)船舶進(jìn)行光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)對船舶的自動(dòng)監(jiān)測，可用于遠(yuǎn)洋事故的大區(qū)域搜救等領(lǐng)域。

7.火場自動(dòng)監(jiān)測

通過光學(xué)遙感模式與在軌AI智能處理模式的融合應(yīng)用，利用星上AI智能處理系統(tǒng)的火點(diǎn)識(shí)別結(jié)果，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星可星上自主規(guī)劃任務(wù)，對火點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行光學(xué)遙感數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)對火場的監(jiān)測，第一時(shí)間獲取全譜段的遙感數(shù)據(jù)，為減災(zāi)救災(zāi)提供信息支持。

三、技術(shù)創(chuàng)新成果

單片傳感器20譜段多光譜成像儀：20譜段共用傳感器保證譜間輻射穩(wěn)定，基于新型定標(biāo)控制策略的漫反射板在軌全動(dòng)態(tài)定標(biāo)克服單點(diǎn)定標(biāo)缺陷，進(jìn)一步提升定標(biāo)精度。

在軌AI信息處理系統(tǒng)：具備火點(diǎn)識(shí)別、艦船識(shí)別、云霧識(shí)別，并可在軌進(jìn)行程序更新，實(shí)現(xiàn)在軌AI系統(tǒng)算法的持續(xù)進(jìn)化與優(yōu)化，使在軌AI系統(tǒng)向業(yè)務(wù)化應(yīng)用邁進(jìn)一大步。

多載荷星上聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃技術(shù)：AIS、紅外相機(jī)等引導(dǎo)載荷與主載荷聯(lián)合應(yīng)用，使得目標(biāo)識(shí)別后通過在軌自動(dòng)任務(wù)規(guī)劃，5分鐘內(nèi)獲取高分辨率光譜數(shù)據(jù)，大幅提升應(yīng)急響應(yīng)能力。

高速X頻段數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：具備最高雙通道900Mbit/s，共計(jì)1.8Gbit/s星地?cái)?shù)傳速率，單軌數(shù)傳數(shù)據(jù)量120GB以上，是目前國內(nèi)商業(yè)遙感衛(wèi)星中數(shù)據(jù)下傳能力最強(qiáng)的衛(wèi)星，同時(shí)具有單通道600Mbit/s、300Mbit/s、150Mbit/s等降速模式，以滿足小型移動(dòng)地面站。

四、對航天遙感領(lǐng)域的推動(dòng)作用

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星攜帶了AIS、多光譜儀、短波紅外相機(jī)、中波紅外相機(jī)、長波紅外相機(jī)、在軌AI系統(tǒng)等多種類型載荷，通過載荷聯(lián)合應(yīng)用，對提高應(yīng)急響應(yīng)能力，多維度信息獲取具有重要意義。

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星采用單傳感器20譜段集成技術(shù)，結(jié)合優(yōu)異的雜光抑制技術(shù)以及在軌全動(dòng)態(tài)輻射定標(biāo)技術(shù)，保證了光譜衛(wèi)星能夠?yàn)闃I(yè)務(wù)應(yīng)用提供穩(wěn)定精確的光譜數(shù)據(jù)。

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星將在軌AI信息處理技術(shù)引入業(yè)務(wù)閉環(huán)，在軌AI系統(tǒng)具有火點(diǎn)識(shí)別、艦船識(shí)別、云霧識(shí)別等功能，且通過AIS引導(dǎo)光學(xué)成像、火點(diǎn)引導(dǎo)光學(xué)成像等模式，實(shí)現(xiàn)了多種載荷的在軌自主聯(lián)合應(yīng)用，將應(yīng)急響應(yīng)能力從小時(shí)級(jí)提升為分鐘級(jí)。

五、應(yīng)用成果

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星發(fā)射以來已經(jīng)完成全國國土范圍無云遙感覆蓋，數(shù)據(jù)已經(jīng)逐步應(yīng)用于林業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、海洋、水運(yùn)等行業(yè)；完成了AIS引導(dǎo)光學(xué)相機(jī)自主成像、大型艦船在軌AI識(shí)別、森林火災(zāi)在軌AI識(shí)別新技術(shù)驗(yàn)證，驗(yàn)證了無線電載荷、光學(xué)載荷及在軌AI系統(tǒng)的聯(lián)合應(yīng)用。中國氣象局利用光譜衛(wèi)星對月球進(jìn)行了長達(dá)半年的持續(xù)觀測，獲得了新月至滿月的20譜段可見近紅外月球數(shù)據(jù)，初步分析結(jié)果顯示光譜衛(wèi)星的月球數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，有望建立精確度國際領(lǐng)先的月球輻射模型。

六、部分典型應(yīng)用案例

地表覆蓋分類產(chǎn)品主要用戶對象為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)保、規(guī)劃等相關(guān)政府業(yè)務(wù)部門以及從事相關(guān)行業(yè)的企業(yè)、研究所、高校等。該類產(chǎn)品可為各級(jí)政府的自然資源監(jiān)管、土地利用類型監(jiān)測、種植結(jié)構(gòu)監(jiān)測、種植面積統(tǒng)計(jì)、土地規(guī)劃、生態(tài)紅線監(jiān)測、離任審計(jì)等業(yè)務(wù)提供服務(wù)，從而有效提升吉林一號(hào)的數(shù)據(jù)使用價(jià)值。

1.林業(yè)資源精細(xì)化分類

吉林市樺甸市是吉林省林業(yè)重點(diǎn)縣市和主要木材生產(chǎn)基地之一，林地總面積達(dá)769萬畝，占幅員面積的82%，林木資源以樹種繁多、材質(zhì)優(yōu)良著稱。

基于吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，根據(jù)多樣化樹種光譜特征對吉林市樺甸山區(qū)不同類型樹木進(jìn)行分類，分類結(jié)果如圖 1所示。其中樹種類別可達(dá)十二種，分別為云杉林、闊葉混合林、柞樹林、落葉松、楊樹林、紅松林、針闊混合林、胡桃楸、針葉混合林、白樺林、樟子松和其他經(jīng)濟(jì)林等。經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，樹種分類精度可達(dá)90%。數(shù)據(jù)成果可服務(wù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)普查部門，一定程度上減少外業(yè)核查人員的工作量。

圖1 吉林市樺甸市林業(yè)樹種分布專題圖

綜上所述，利用吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)既可以對當(dāng)?shù)氐耐恋馗采w進(jìn)行監(jiān)測和分析，又可以根據(jù)樹種特征對不同樹種進(jìn)行精細(xì)化分類，在林業(yè)資源規(guī)劃和信息統(tǒng)計(jì)等方面發(fā)揮重要作用。

2.農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提取

準(zhǔn)確地提取大宗農(nóng)作物種植范圍、數(shù)量以及時(shí)空變化過程，可為地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

在農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)提取方面，基于吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可更精準(zhǔn)提取玉米種植面積的準(zhǔn)確率，在分類模型中結(jié)合坡度因子，實(shí)現(xiàn)了玉米和水稻的高精度分類。如圖2所示，利用2019年9月份吉林省衛(wèi)星影像，完成了全域玉米與水稻種植結(jié)構(gòu)的提取，同時(shí)分類結(jié)果在農(nóng)安縣進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，得益于光譜衛(wèi)星豐富的譜段信息及較高分辨率的紋理信息，分類后的抽樣精度可達(dá)95%。

圖2 吉林省玉米和水稻種結(jié)構(gòu)提取結(jié)果

大蒜的種植面積是大蒜市場行情的重要影響因素之一。利用吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星影像，根據(jù)大蒜與其他農(nóng)作物在可見光、近紅外譜段的反射率差異，可對農(nóng)作物類型進(jìn)行識(shí)別。吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星在不同作物光譜反射率差異較為顯著,如圖3所示。通過差異性特征，完成了山東省臨沂市大蒜種植結(jié)構(gòu)提取，提取面積為83146.5畝，如圖4所示。

圖3 不同作物光譜反射率差異圖

圖4 山東省臨沂市大蒜種植結(jié)構(gòu)提取結(jié)果

3.農(nóng)作物長勢監(jiān)測

農(nóng)作物長勢遙感監(jiān)測是建立在綠色植物光譜理論基礎(chǔ)之上，對作物的苗情、生長狀況及其變化的宏觀監(jiān)測。基于吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星影像，對美國猶他州的農(nóng)作物長勢進(jìn)行遙感監(jiān)測，并與準(zhǔn)同步的美國陸地衛(wèi)星（Landsat-8）長勢監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，可以看出吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星空間分辨率更高，更能詳細(xì)描述植被的長勢信息，如圖5所示。

圖5 美國猶他州農(nóng)作物長勢分析

4.農(nóng)作物旱情監(jiān)測

土壤水分含量既可以通過水分的直接熱特性和波長輻射特性反映，也可以通過地表溫度和植被狀態(tài)反映。吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星攜帶的長波紅外相機(jī)可進(jìn)行地表溫度反演，基于地表溫度和植被指數(shù)構(gòu)建溫度植被干旱指數(shù)，對山東省臨沂市平邑縣大蒜的旱情狀況進(jìn)行監(jiān)測，如圖6所示。

圖6 山東省臨沂市平邑縣大蒜農(nóng)作物旱情監(jiān)測

5.水色遙感監(jiān)測

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星影像光譜覆蓋可見光-近紅外-短波紅外-熱紅外區(qū)間數(shù)十個(gè)譜段，同時(shí)具有高信噪比和高重訪周期的特點(diǎn)，是水色遙感建模的理想數(shù)據(jù)?；诩忠惶?hào)光譜衛(wèi)星多光譜影像、區(qū)域水質(zhì)歷史資料、現(xiàn)場采集的水質(zhì)參數(shù)和光譜數(shù)據(jù)，可構(gòu)建適用于不同區(qū)域、不同水體類型的水色遙感模型。圖7是基于吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)形成的美國圣迭戈海域水色遙感圖，由水色遙感空間分布圖可知，監(jiān)測區(qū)近岸水質(zhì)狀況并不理想，推測其原因主要是來自人類活動(dòng)、氣候及洋流等綜合因素的影響。

圖7 美國圣迭戈海域水色遙感分析

6.地表溫度監(jiān)測

地表溫度是區(qū)域和全球尺度地表物理過程中的一個(gè)關(guān)鍵因子，也是研究地表和大氣之間物質(zhì)交換和能量交換的重要參數(shù)。許多應(yīng)用如干旱、高溫、林火、地質(zhì)、水文、植被監(jiān)測、全球環(huán)流和區(qū)域氣候模型等都需要獲得地表溫度。圖8是基于天津市吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星長波紅外影像，利用熱紅外地表溫度反演算法，對天津市地表溫度進(jìn)行監(jiān)測。

圖8 天津市地表溫度監(jiān)測

7.森林火災(zāi)監(jiān)測

由于全球升溫，頻發(fā)的森林火災(zāi)嚴(yán)重破壞和威脅人類賴以生存的森林資源和環(huán)境。火焰的溫度通常能達(dá)到500～700K，其熱輻射峰值波長在3～5μm之間，據(jù)此原理，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可獲取區(qū)域火點(diǎn)分布情況及火災(zāi)受災(zāi)面積。

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星攜帶了對火點(diǎn)異常敏感的中波紅外和長波紅外相機(jī)，同時(shí)具有大幅寬和短重放周期的優(yōu)勢，對森林火災(zāi)監(jiān)測具有重要意義。2019年12月17日，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星對澳大利亞大火進(jìn)行了拍攝，利用吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星火點(diǎn)自動(dòng)識(shí)別算法提取了監(jiān)測區(qū)火點(diǎn)，及時(shí)掌握了監(jiān)測區(qū)受災(zāi)情況和火勢蔓延情況，如圖 9所示。

圖9 吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星澳大利亞大火遙感監(jiān)測專題圖

七、結(jié)束語

吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星經(jīng)過在軌測試與在軌輻射定標(biāo)，已經(jīng)能夠穩(wěn)定地向用戶提供輻射性能優(yōu)良的定量遙感數(shù)據(jù)，譜段覆蓋可見近紅外、短波紅外、中波紅外、長波紅外。目前，吉林一號(hào)光譜衛(wèi)星已經(jīng)完成全國光譜數(shù)據(jù)覆蓋，并開放真彩色數(shù)據(jù)免費(fèi)下載，各個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸與行業(yè)用戶開展深入合作，光譜數(shù)據(jù)有望進(jìn)一步提高我國定量遙感應(yīng)用水平。