高分四號衛(wèi)星應(yīng)用研究探析

摘? ?要：高分四號衛(wèi)星是我國高分對地觀測系統(tǒng)中，首顆高軌道對地靜止遙感衛(wèi)星，具有全色、多光譜和紅外光譜成像能力，同時具有較高空間分辨率和高時間分辨率光學(xué)遙感，為國土、海洋、國防、水利、氣象、地震、減災(zāi)、林業(yè)等多個領(lǐng)域提供遙感數(shù)據(jù)支持，在數(shù)據(jù)獲取時效性、產(chǎn)品精度等方面，高分四號衛(wèi)星獲取影像數(shù)據(jù)能力仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：高分四號? 遙感衛(wèi)星? 災(zāi)害預(yù)警? 數(shù)據(jù)支持

中圖分類號：P237? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（b）-0022-03

Abstract： Gaofen-4 satellite is the first high orbit geostationary remote sensing satellite in China， which has the ability of panchromatic， multispectral and infrared spectral imaging. It also has high spatial resolution and high temporal resolution optical remote sensing. It provides remote sensing data support for many fields such as land， ocean， national defense， water， meteorology， earthquake， disaster reduction， forestry and so on. The data obtained in terms of timeliness and product accuracy， the image data acquisition ability of gaofen-4 satellite still needs to be further strengthened.

Key Words： Gaofen-4; Remote sensing satellite; Disaster warning; Data support

高分四號衛(wèi)星自發(fā)射到現(xiàn)在已經(jīng)在軌道運(yùn)行4年多，為各個領(lǐng)域提供接近60萬份圖像數(shù)據(jù)，為我國各行業(yè)建設(shè)發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。高分四號衛(wèi)星可以長期停留在指定區(qū)域正上方太空中，是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)中的唯一的一顆高軌道遙感衛(wèi)星。高分四號衛(wèi)星具有全色、多光譜和紅外光譜成像能力，為國土、海洋、國防、水利、氣象、地震、減災(zāi)、林業(yè)等多個領(lǐng)域提供遙感數(shù)據(jù)支持[1]。

高分四號衛(wèi)星為具備全天時成像能力的任務(wù)主導(dǎo)型衛(wèi)星，用戶僅需通過宏指令接口將任務(wù)信息上注衛(wèi)星，計算機(jī)將根據(jù)任務(wù)信息自主按照時序分發(fā)至下游機(jī)位，完成成像任務(wù)。高分四號衛(wèi)星日平均成像達(dá)72景，并且對用戶的成像任務(wù)實(shí)時響應(yīng)，在處理緊急任務(wù)方面能發(fā)揮巨大作用。

1? 高分四號衛(wèi)星在各領(lǐng)域的應(yīng)用

高分四號衛(wèi)星為我國的防災(zāi)減災(zāi)、森林草原火災(zāi)、洪澇災(zāi)害、氣象預(yù)警、地震監(jiān)測等領(lǐng)域提供了可靠、穩(wěn)定、快捷的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)，并且開辟了我國同步軌道高分辨率衛(wèi)星對地觀測的新領(lǐng)域，為突發(fā)性災(zāi)害預(yù)警預(yù)報、大面積干旱監(jiān)測、流域性洪澇災(zāi)害監(jiān)測、臺風(fēng)監(jiān)測預(yù)警和地震區(qū)域構(gòu)造信息提取等方面，提供了全新的技術(shù)手段。

1.1 防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用

高分四號衛(wèi)星對致災(zāi)因子、災(zāi)害發(fā)生體、致災(zāi)環(huán)境等災(zāi)害，在基于對采集影像的特征參數(shù)提取后，就可以展開持續(xù)、定期、動態(tài)的監(jiān)測。高分四號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)對植被指數(shù)、地表反照率、植被覆蓋率、水體指數(shù)等參數(shù)研究提供了重要基礎(chǔ)，在水災(zāi)、雪災(zāi)、旱災(zāi)的監(jiān)測和評估方面發(fā)揮重要作用。高分四號衛(wèi)星具有全天候高頻次觀測的優(yōu)勢，從而可以為地類識別提供了有效的技術(shù)和方法[2]。

森林草原火災(zāi)、潰壩性洪澇災(zāi)害具有突發(fā)性和變化快等特點(diǎn)，高分四號衛(wèi)星以其響應(yīng)速度快、觀測頻率高、覆蓋范圍廣的優(yōu)勢，在處理突發(fā)性災(zāi)害方面具有顯著優(yōu)勢。高分四號衛(wèi)星搭載有中波紅外相機(jī)，同時還搭載有可見光近紅外相機(jī)，中波紅外相機(jī)和可見光紅外相機(jī)，均適合森林火災(zāi)和草原火災(zāi)監(jiān)測。因?yàn)樯只馂?zāi)和草原火災(zāi)伴隨有局部區(qū)域高溫，因?yàn)橹胁t外波段對地表高溫物體非常敏感，而可見光近紅外波段，特別適合于火燒區(qū)域和燃燒濃煙的識別，中波紅外波段和可見光紅外波段相互配合，構(gòu)成針對森林火災(zāi)和草原火災(zāi)的監(jiān)測鏈。基于可見光紅外譜段和中波紅外譜段數(shù)據(jù)，高分四號衛(wèi)星可以快速、準(zhǔn)確識別森林火災(zāi)和草原火災(zāi)區(qū)域，為應(yīng)急救援工作提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

另外針對流域性的洪澇災(zāi)害，高分四號衛(wèi)星以其高幅寬的優(yōu)勢，可以對這種大面積的災(zāi)害情況進(jìn)行時效性的觀測，并且數(shù)據(jù)處理量不高，可以為災(zāi)害應(yīng)急工作提供數(shù)據(jù)支撐。在大面積的旱災(zāi)監(jiān)測中，高分四號衛(wèi)星可以對可見紅外光波段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提取植被指數(shù)及水體面積。通過與往年的同類數(shù)據(jù)對比，可以對植被的長期長勢規(guī)律和水庫的蓄水規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，監(jiān)測并預(yù)測未來干旱災(zāi)害狀況和未來趨勢[3]。

1.2 氣象預(yù)警應(yīng)用

我國東部和南部沿海地區(qū)是臺風(fēng)高發(fā)區(qū)，平均每年遭受7～10次臺風(fēng)侵襲，臺風(fēng)會引發(fā)滑坡、泥石流、洪災(zāi)、坍塌、風(fēng)暴潮等眾多次生災(zāi)害。因?yàn)榕_風(fēng)具有很強(qiáng)的破壞力，所有臺風(fēng)等極端天氣的監(jiān)測和預(yù)警非常重要。高分四號衛(wèi)星將氣象觀測分辨率從千米級提高到了百米級，顯著提升我國氣象監(jiān)測預(yù)警能力。2016年7月，臺風(fēng)“尼伯特”過境，國防科工局重大專項(xiàng)工程中心，與中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心進(jìn)行了緊密的合作，對高分四號衛(wèi)星采集的影像進(jìn)行了研究性分析。利用高分四號衛(wèi)星進(jìn)行快速成像，實(shí)時觀測采集臺風(fēng)云圖的演變過程。在隨后“瑪利亞”、“妮妲”等臺風(fēng)監(jiān)測預(yù)警工作中，高分四號衛(wèi)星展現(xiàn)了秒級高頻次視頻成像功能，觀測到了臺風(fēng)眼局部區(qū)域的精細(xì)化環(huán)流影像，準(zhǔn)確獲取了臺風(fēng)眼的位置。高分四號衛(wèi)星在提高了臺風(fēng)災(zāi)害影響觀測范圍的同時，增強(qiáng)了臺風(fēng)預(yù)警預(yù)報的準(zhǔn)確性。與此同時，高分四號衛(wèi)星進(jìn)一步揭示了臺風(fēng)云系的變化規(guī)律，尤其是小尺度云團(tuán)的演變過程。高分四號衛(wèi)星還提高了臺風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測和降雨量預(yù)報的精度。高分四號衛(wèi)星服務(wù)氣象災(zāi)害的應(yīng)急領(lǐng)域，先后有效提升了我國臺風(fēng)應(yīng)急氣象監(jiān)測能力和降水預(yù)測預(yù)報能力，為提升臺風(fēng)路徑估算和降水強(qiáng)度預(yù)報，為提升氣象預(yù)報準(zhǔn)確率提供了重要參考。

高分四號衛(wèi)星的全天時高分辨率的優(yōu)勢，使得衛(wèi)星在監(jiān)測云系快速變化工作中精準(zhǔn)高效，以往在云層細(xì)微紋理結(jié)構(gòu)、積云線排列分析、垂直風(fēng)切換等方面屬于監(jiān)測難點(diǎn)，借住高分四號衛(wèi)星的中波紅外成像功能，可以幫助監(jiān)測人員更快更好的觀察中小尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生及演變，顯著降低了觀察夜間天氣系統(tǒng)變化工作難度。未來在霧霾污染源查找、沙塵暴監(jiān)測等領(lǐng)域，高分四號的全天時高分辨率的優(yōu)勢和短臨預(yù)報能力，將會發(fā)揮出更重要的作用[4]。

1.3 地震區(qū)域監(jiān)測

地震熱異常現(xiàn)象是一種有效的地震前兆信息，利用高分四號衛(wèi)星紅外遙感及其覆蓋范圍廣、能夠連續(xù)觀測等優(yōu)勢而成為開展地震熱異常監(jiān)測的有效方法。由于太陽輻射和人類活動等會對地震紅外異常觀測帶來的影響，所以需選用夜間成像數(shù)據(jù)。高分四號衛(wèi)星的中紅外數(shù)據(jù)恰好彌補(bǔ)了現(xiàn)有地監(jiān)測衛(wèi)星的遠(yuǎn)紅外和長波輻射數(shù)據(jù)的不足。

地震區(qū)域監(jiān)測需要定期獲得覆蓋監(jiān)測區(qū)域及周邊地區(qū)的光學(xué)遙感圖像，從板塊和次一級塊體的角度，分析構(gòu)造的活動模式及研究其動力學(xué)機(jī)制。現(xiàn)有極軌衛(wèi)星具備獲取全國范圍數(shù)據(jù)的能力，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)獲取周期長，并且易受天氣等因素影響，導(dǎo)致部門影像數(shù)據(jù)無法利用。同時極軌衛(wèi)星成像幅寬小，在獲取全國范圍的圖像時，需要拼接幾百景數(shù)據(jù)，導(dǎo)致工作量較大，并且由于成像時間不同，不同景的圖像間色調(diào)相差較大。高分四號衛(wèi)星利用其區(qū)域成像模式能夠在24～48h內(nèi)完成我國國土的全境覆蓋，在地震區(qū)域構(gòu)造調(diào)查和分析中具有很好的應(yīng)用前景。

針對典型地震構(gòu)造地貌單元，基于高分四號衛(wèi)星的多時相光學(xué)數(shù)據(jù)，可以分析出斷裂帶兩側(cè)地貌單元的含水量變化以及地表植被差異。高分四號衛(wèi)星的多時相光學(xué)數(shù)據(jù)分析為開展大范圍構(gòu)造帶幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)遙感綜合研究奠定基礎(chǔ)[5]。

2? 不足及展望

新時代的應(yīng)急管理，具有新任務(wù)和新要求。高分四號衛(wèi)星在數(shù)據(jù)獲取的時效性，輸出產(chǎn)品的精度等方面，高分四號衛(wèi)星在獲取和處理影像數(shù)據(jù)的能力，仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.1 簡化運(yùn)管機(jī)制

高分四號衛(wèi)星從觀測任務(wù)注入到數(shù)據(jù)推送至用戶，需要經(jīng)歷多個環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)成像能力強(qiáng)，但是數(shù)據(jù)時效性服務(wù)能力較弱。通過優(yōu)化高分四號衛(wèi)星觀測任務(wù)，革新任務(wù)注入和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，從任務(wù)注入到產(chǎn)品輸出的各個環(huán)節(jié)，需要確保重要任務(wù)優(yōu)先注入。通過設(shè)立應(yīng)急機(jī)制，確保緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先處理和推發(fā)送，可以顯著提升數(shù)據(jù)的時效性。

2.2 加強(qiáng)量化管理

高分四號衛(wèi)星的定量化仍處于研究階段，高分四號衛(wèi)星的設(shè)計業(yè)務(wù)能力與實(shí)際業(yè)務(wù)能力尚存在偏差。通過與實(shí)際業(yè)務(wù)緊密結(jié)合，可以充分展示和評估高分四號衛(wèi)星的優(yōu)劣。在數(shù)據(jù)輻射定標(biāo)工作進(jìn)程中，可以利用關(guān)鍵參數(shù)反演驗(yàn)證的方式，從目標(biāo)精度逆向反推出各級產(chǎn)品精度。通過構(gòu)建定量化應(yīng)用精度指標(biāo)體系，高分四號衛(wèi)星的產(chǎn)品輸出準(zhǔn)確度可獲得顯著提升。

2.3 挖掘數(shù)據(jù)潛力

高分四號衛(wèi)星與傳統(tǒng)的對地靜止衛(wèi)星相比，尚未構(gòu)建系統(tǒng)化、體系化協(xié)同應(yīng)用的模式和技術(shù)體系。高分四號衛(wèi)星的數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)，與其他對地靜止衛(wèi)星應(yīng)用相比，對高頻次的觀測數(shù)據(jù)包含的隱藏信息挖掘還不夠，并且也未凸顯高分四號衛(wèi)星的高頻次觀測特性。可以通過加強(qiáng)高分四號衛(wèi)星與其它對地靜止衛(wèi)星的合作，在數(shù)據(jù)任務(wù)注入、輸出數(shù)據(jù)融合、產(chǎn)品信息挖掘等方面進(jìn)行協(xié)同并用。依托人工智能和大數(shù)據(jù)分析等有效手段，基于高頻次海量觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建信息挖掘技術(shù)，充分發(fā)揮高分四號衛(wèi)星的響應(yīng)迅速的優(yōu)勢[2]。

由于對地球同步軌道的高分辨率遙感才實(shí)現(xiàn)不久，還存在一個不斷研究改進(jìn)的過程，未來高分四號衛(wèi)星的應(yīng)用不會只限于地震、洪澇、臺風(fēng)、火災(zāi)等應(yīng)急監(jiān)測。隨著新需求的出現(xiàn)和分辨率提升等技術(shù)的發(fā)展，預(yù)期高分四號衛(wèi)星的應(yīng)用潛力將得到進(jìn)一步的挖掘。

3? 結(jié)語

高分四號衛(wèi)星開辟了我國地球靜止軌道較高分辨率對地觀測新途徑，填補(bǔ)了我國乃至世界靜止軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白，同時具有較高空間分辨率和高時間分辨率光學(xué)遙感，為減災(zāi)、氣象、地震和林業(yè)等多個行業(yè)的應(yīng)用提供遙感數(shù)據(jù)服務(wù)，并為海洋、國土和水利等行業(yè)以及國防建設(shè)提供遙感數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)中國民用高分衛(wèi)星研制和衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域的新突破對地球靜止軌道遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有開創(chuàng)性的意義。本文總結(jié)了高分四號衛(wèi)星的優(yōu)勢和不足，并為中國靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展提出重要建議。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉鳳晶，李果，于登云，等.高分四號衛(wèi)星及應(yīng)用概況[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2018，84（12）：12-18.

[2] 楊思全，李素菊，吳瑋，等.高分四號衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)中的應(yīng)用實(shí)踐[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2018，84（12）：19-26.

[3] 覃先林，劉樹超，李曉彤，等.高分四號衛(wèi)星在我國森林草原火情監(jiān)測中的應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2018，84（12）：36-39.

[4] 盧鵬，鄒佩岐，鄒國良.基于多尺度卷積特征融合的臺風(fēng)等級分類模型[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（16）：101-107.

[5] 李建，韓立.基于可視化遙感的地震大區(qū)域?yàn)?zāi)情收集系統(tǒng)[J].地震工程學(xué)報，2019，41（2）：256-261.

作者簡介：田瑜基（1986，9—），女，漢族，福建廈門人，碩士，測繪工程師，從事GIS、信息化技術(shù)研究工作。