資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖晨超 魏英娟 趙世湖

(自然資源部國(guó)土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心，北京 100048)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星(又稱為5米光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星)是自然資源部陸地衛(wèi)星觀測(cè)體系的重要組成，其大幅寬、高(細(xì)分)光譜分辨率的數(shù)據(jù)獲取能力對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)提出更高的要求，是衛(wèi)星數(shù)據(jù)能否有效轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)能力的關(guān)鍵。從承接關(guān)系上資源一號(hào)02D衛(wèi)星是資源一號(hào)02C的接續(xù)星，該星代替超期服役的資源一號(hào)02C衛(wèi)星，并從姿態(tài)機(jī)動(dòng)、圖像質(zhì)量等方面持續(xù)提升衛(wèi)星的功能性能，以更大的幅寬和更多的譜段支撐1∶10萬(wàn)～1∶25萬(wàn)比例尺國(guó)土資源、地質(zhì)礦產(chǎn)資源的調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作。該星作為我國(guó)首顆民用高光譜業(yè)務(wù)衛(wèi)星，其規(guī)模化高光譜數(shù)據(jù)獲取能力，可為礦產(chǎn)資源、自然生態(tài)等領(lǐng)域定量化調(diào)查工作提供規(guī)模化遙感數(shù)據(jù)，滿足新時(shí)期國(guó)土資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)、地礦勘查、地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)需求[1-3]。

自然資源部成立后，其職責(zé)由原來(lái)的土地、礦產(chǎn)和地質(zhì)監(jiān)督管理拓展到了整個(gè)自然資源范圍。針對(duì)自然資源山、水、林、田、湖、草整體保護(hù)、系統(tǒng)修復(fù)、綜合治理多要素遙感觀測(cè)的新需求，在衛(wèi)星發(fā)射后，除了做好礦產(chǎn)資源領(lǐng)域的定量應(yīng)用外，積極探索研發(fā)星載高光譜數(shù)據(jù)在各門類自然資源定量應(yīng)用方面的潛力與核心技術(shù)[4-6]，在軌測(cè)試表明，衛(wèi)星性能達(dá)到了研制總要求規(guī)定的各項(xiàng)工程技術(shù)指標(biāo)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量良好，具備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力。

自然資源領(lǐng)域是我國(guó)較早應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)并形成應(yīng)用規(guī)模的行業(yè)之一。本文旨在針對(duì)自然資源部陸地觀測(cè)任務(wù)新需求，充分發(fā)揮資源一號(hào)02D衛(wèi)星功能性能，建設(shè)資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)，形成規(guī)模化的產(chǎn)品生產(chǎn)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力。資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)圍繞業(yè)務(wù)衛(wèi)星業(yè)務(wù)化、規(guī)模化產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，針對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量提升與精度驗(yàn)證、數(shù)據(jù)與應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)、質(zhì)量檢查控制等核心業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，分別設(shè)計(jì)獨(dú)立業(yè)務(wù)分系統(tǒng)；并且在多星多任務(wù)管控的業(yè)務(wù)框架下，綜合考慮與其他相關(guān)衛(wèi)星協(xié)同開(kāi)展數(shù)據(jù)獲取、成果歸檔等應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)運(yùn)行管理、數(shù)據(jù)管理以及過(guò)程庫(kù)相關(guān)接口和流程，通過(guò)統(tǒng)一的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成[7]。目前應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)的日常處理，并且面向省級(jí)衛(wèi)星中心開(kāi)展數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。

1 應(yīng)用產(chǎn)品體系設(shè)計(jì)

資源一號(hào)02D衛(wèi)星在提升幅寬與幾何精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)衛(wèi)星光譜精細(xì)化、定量化的能力增強(qiáng)。在多光譜方面，將國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星慣用的4個(gè)多光譜譜段拓展到8個(gè)，增加海岸藍(lán)、黃、紅邊和近紅外等譜段，增強(qiáng)了對(duì)水體、林木、農(nóng)作物等要素的定量化觀測(cè)能力；與此同時(shí)，通過(guò)高光譜載荷可表達(dá)更加精細(xì)的光譜信息[8]，這一特點(diǎn)可以更好的支撐自然資源“數(shù)量-質(zhì)量-生態(tài)”三位一體調(diào)查監(jiān)測(cè)應(yīng)用，產(chǎn)品體系設(shè)計(jì)如下。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品

衛(wèi)星地面系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)為輻射校正產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上，需根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，分別進(jìn)行傳感器校正、單景正射校正、區(qū)域正射校正及反射率生成等處理，具體如表1所示。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品表Table 1 Basic data products

1.2 專題應(yīng)用產(chǎn)品

資源一號(hào)02D衛(wèi)星的專題應(yīng)用產(chǎn)品包括各級(jí)別的可業(yè)務(wù)化生產(chǎn)的指數(shù)產(chǎn)品、反演產(chǎn)品、分類產(chǎn)品以及結(jié)合人工經(jīng)驗(yàn)、核查和修編的各類專題產(chǎn)品，具體如表2所示。

表2 專題應(yīng)用產(chǎn)品表Table 2 Special application products

2 應(yīng)用系統(tǒng)組成

資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)包括業(yè)務(wù)運(yùn)行管理與調(diào)度分系統(tǒng)、質(zhì)量提升與精度驗(yàn)證分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)分系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查控制分系統(tǒng)、過(guò)程數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)。具體系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of ZY-1-02D satellite application system

業(yè)務(wù)運(yùn)行管理與調(diào)度分系統(tǒng)接收來(lái)自上一層級(jí)運(yùn)行管理系統(tǒng)的任務(wù)信息，進(jìn)行任務(wù)解析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的任務(wù)數(shù)據(jù)調(diào)度、任務(wù)管理調(diào)度等，保障系統(tǒng)內(nèi)生產(chǎn)任務(wù)順利有序進(jìn)行，并向上一級(jí)多星多任務(wù)運(yùn)行管理系統(tǒng)反饋任務(wù)狀態(tài)信息。

質(zhì)量提升與精度驗(yàn)證分系統(tǒng)圍繞觀測(cè)數(shù)據(jù)幾何定位、高精度配準(zhǔn)、輻射校正等指標(biāo)的跟蹤及持續(xù)優(yōu)化的需求，充分利用星上主載荷、大氣校正儀載荷及相關(guān)輔助信息，在分析相機(jī)成像和誤差模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)相應(yīng)模塊，尤其針對(duì)星載高光譜數(shù)據(jù)特點(diǎn)，構(gòu)建成像環(huán)節(jié)產(chǎn)生的干涉條紋、穩(wěn)定噪聲及修正模型，是定量化應(yīng)用的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理生產(chǎn)分系統(tǒng)采用高自動(dòng)化、業(yè)務(wù)化的生產(chǎn)模式，在傳統(tǒng)光學(xué)載荷幾何處理模式的基礎(chǔ)上，研發(fā)基于大氣查找表的規(guī)模化大氣校正工作模式，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)單景正射糾正影像、幾何定向模型、區(qū)域正射糾正影像、大氣表觀反射率、地表反射率、地形修正反射率、反射率降維等基礎(chǔ)定量遙感產(chǎn)品(3～5級(jí)產(chǎn)品)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用分系統(tǒng)面向自然資源應(yīng)用業(yè)務(wù)需求，支持常態(tài)化和應(yīng)急兩種運(yùn)行模式，以基礎(chǔ)產(chǎn)品數(shù)據(jù)(2～5級(jí))和光譜、實(shí)測(cè)采樣、人文信息等多源支撐數(shù)據(jù)為輸入，應(yīng)用定量遙感、人工智能、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算等技術(shù)方法[9-10]，在專業(yè)技術(shù)集成和業(yè)務(wù)流程建模能力的支撐下，生成地表分類產(chǎn)品、定量參數(shù)產(chǎn)品、生態(tài)狀況產(chǎn)品及相應(yīng)的精度評(píng)價(jià)產(chǎn)品(6～8級(jí)產(chǎn)品)，支撐各類標(biāo)準(zhǔn)專題產(chǎn)品的生產(chǎn)和綜合應(yīng)用。

數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查控制分系統(tǒng)根據(jù)質(zhì)量檢查方案對(duì)傳感器校正產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化全量數(shù)據(jù)質(zhì)檢，對(duì)各類高級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及專題產(chǎn)品根據(jù)設(shè)定的質(zhì)檢方案和策略進(jìn)行人機(jī)交互抽檢。該系統(tǒng)除了具備一般光學(xué)影像檢查能力外，還支持高光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)檢，生成的質(zhì)檢報(bào)告隨各級(jí)數(shù)據(jù)一并分發(fā)，便于用戶評(píng)價(jià)部分?jǐn)?shù)據(jù)在定量應(yīng)用中的可用性。

過(guò)程數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)主要是管理各類產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的輔助數(shù)據(jù)、中間成果，并且臨時(shí)管理和保存最終成果數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)向上一級(jí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完整權(quán)限的數(shù)據(jù)操作接口，便于最終成果的查詢歸檔，或作為專題數(shù)據(jù)庫(kù)分布式節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。

3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行流程被設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型和業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型兩類。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型主要是日常數(shù)據(jù)的接收處理歸檔等常規(guī)操作；業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)型主要是通過(guò)調(diào)查監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，反向驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)接收(檢索)、處理及相關(guān)的專題信息提取。無(wú)論哪種運(yùn)行模式，其內(nèi)部都是通過(guò)一系列預(yù)先定制好的業(yè)務(wù)模板驅(qū)動(dòng)各分系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)模塊，協(xié)同完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。系統(tǒng)總體流程如圖2所示。

業(yè)務(wù)運(yùn)行管理與調(diào)度分系統(tǒng)是系統(tǒng)運(yùn)行流程定制與管理的中樞，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)調(diào)度。在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式下，根據(jù)內(nèi)置的數(shù)據(jù)任務(wù)模板生產(chǎn)相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品并歸檔；在業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)模式下，負(fù)責(zé)接收上級(jí)運(yùn)管系統(tǒng)發(fā)來(lái)的任務(wù)信息，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取任務(wù)數(shù)據(jù)，并且控制數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各分系統(tǒng)形成專題產(chǎn)品，最終將各業(yè)務(wù)分系統(tǒng)反饋的產(chǎn)品有效存儲(chǔ)，并根據(jù)成果歸檔策略向上一級(jí)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)歸檔。

圖2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)圖Fig.2 System flow design diagram

4 系統(tǒng)集成策略

資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)涉及到較多的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)與業(yè)務(wù)模型，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中為了確保系統(tǒng)的整體性和可擴(kuò)展性，最大程度確保系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行效果，需要對(duì)系統(tǒng)集成與部署策略進(jìn)行設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的集成工作包括各分系統(tǒng)集成以及插件兩個(gè)層面。分系統(tǒng)集成基于面向服務(wù)的架構(gòu)從支撐環(huán)境、流程和數(shù)據(jù)三方面進(jìn)行集成，其核心是根據(jù)數(shù)據(jù)處理流程中輸入的模型參數(shù)和業(yè)務(wù)管理參數(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行業(yè)務(wù)模型設(shè)計(jì)，然后基于各類產(chǎn)品的生產(chǎn)流程，通過(guò)統(tǒng)一消息接口、數(shù)據(jù)字典、業(yè)務(wù)流程模板，并構(gòu)建統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)的集成；對(duì)于各分系統(tǒng)業(yè)務(wù)運(yùn)行中所應(yīng)用到的大量算法功能，則采用可視化、拖放式的流程搭建方法構(gòu)建工作流，工作流引擎實(shí)現(xiàn)對(duì)插件的調(diào)用。所有系統(tǒng)插件基于統(tǒng)一開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并構(gòu)建系統(tǒng)全局的插件庫(kù)后，支持業(yè)務(wù)流程的靈活定制、業(yè)務(wù)生產(chǎn)線的快速搭建[11]。技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)集成技術(shù)路線Fig.3 System integration technical route

5 系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

在相應(yīng)硬件基礎(chǔ)設(shè)施支撐下，資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)日清月結(jié)處理能力，并可支撐其他類似星載衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理；可實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景及大氣狀態(tài)的自動(dòng)校正，可支持傳統(tǒng)分類算法模型以及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型并具備地表覆蓋3級(jí)分類樣本數(shù)據(jù)管理能力；系統(tǒng)具備長(zhǎng)時(shí)間序列產(chǎn)品的變化監(jiān)測(cè)與分析能力。

系統(tǒng)性能指標(biāo)方面，經(jīng)該系統(tǒng)處理后，幾何精校正影像像元定位精度優(yōu)于1個(gè)像元、譜段間影像配準(zhǔn)誤差小于0.2個(gè)像元；高光譜影像相對(duì)輻射校正(歸一化校正)誤差≤2%、高光譜影像絕對(duì)輻射校正誤差≤6%、大氣窗口譜段地表反射率產(chǎn)品精度絕對(duì)誤差小于7%；系統(tǒng)支持在線用戶數(shù)≥100，查詢檢索、單屏刷新返回時(shí)間≤2 s；支持優(yōu)先級(jí)、調(diào)度策略、負(fù)載均衡等管理設(shè)置，具有7×24小時(shí)服務(wù)能力，運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于99%。

6 系統(tǒng)運(yùn)行情況

資源一號(hào)02D衛(wèi)星自2019年9月12日發(fā)射以來(lái)，應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)與在軌測(cè)試工作同步推進(jìn)，在軌測(cè)試、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、模型優(yōu)化及業(yè)務(wù)應(yīng)用協(xié)同開(kāi)展。2019年12月完成系統(tǒng)整體框架集成后即開(kāi)展試運(yùn)行與調(diào)試，2020年3月啟動(dòng)自然資源行業(yè)多光譜數(shù)據(jù)分發(fā)；2020年5月啟動(dòng)自然資源行業(yè)高光譜數(shù)據(jù)分發(fā)。目前，基于資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星每日接收數(shù)據(jù)的及時(shí)處理與分發(fā)，并在常態(tài)化衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)、高光譜定量產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)以及光譜大數(shù)據(jù)分析與模型研發(fā)等工作中發(fā)揮重要作用，圖4為部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和專題應(yīng)用產(chǎn)品示例。

圖4 資源一號(hào)02D衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品示例Fig.4 Example of ZY-1-02D satellite data products

7 結(jié)束語(yǔ)

業(yè)務(wù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的規(guī)模化應(yīng)用能力是發(fā)揮衛(wèi)星投資效益的關(guān)鍵所在，業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)和有效運(yùn)行是提升業(yè)務(wù)應(yīng)用能力的最重要抓手。衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)須在業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的引領(lǐng)下，盡可能形成明確完善的產(chǎn)品體系，并統(tǒng)籌考慮衛(wèi)星設(shè)計(jì)指標(biāo)及效能、地面系統(tǒng)處理與實(shí)現(xiàn)能力等因素，通過(guò)“兩個(gè)統(tǒng)一”(統(tǒng)一技術(shù)要求，統(tǒng)一工程管理規(guī)范)來(lái)完成工程建設(shè)的組織管理工作，最終通過(guò)“技術(shù)+管理”，實(shí)現(xiàn)界面統(tǒng)一、功能可復(fù)用、結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展、流程可定制的業(yè)務(wù)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)。

資源一號(hào)02D衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)在建設(shè)中，除了充分借鑒信息化、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)外，還圍繞高光譜數(shù)據(jù)Etalon效應(yīng)去除、光譜保真條件下的輻射質(zhì)量提升、片間一致性糾正、規(guī)模化大氣校正等技術(shù)難點(diǎn)，以及高光譜水體水質(zhì)、土壤質(zhì)量等典型應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，基本實(shí)現(xiàn)了典型區(qū)域部分定量應(yīng)用產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，但實(shí)現(xiàn)星載數(shù)據(jù)的大規(guī)模定量化應(yīng)用還亟需構(gòu)建星載數(shù)據(jù)典型地物光譜庫(kù)及野外檢驗(yàn)站等基礎(chǔ)設(shè)施，逐步提升星載高光譜數(shù)據(jù)應(yīng)用效能，力爭(zhēng)以更加強(qiáng)有力的科技手段支撐服務(wù)各類政策制定與執(zhí)行。