資源一號02D衛星在軌測試自然資源典型應用

魏紅艷 肖晨超 宋慶君 劉克 初啟鳳 李娜 李戰 孫小飛

(1 自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048)(2 國家衛星海洋應用中心，北京 100081)(3 黑龍江地理信息工程院，哈爾濱 150086)(4 中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)(5 河北省水文工程地質勘查院，石家莊 050021)(6 四川省地質調查院，成都 610081)

在遙感技術和應用的雙重驅動下，近年來我國國產衛星事業迅速發展，國內各行業應用日益廣泛，取得了良好的經濟和社會效益[1-3]。在自然資源業務應用領域，衛星遙感調查也從土地和礦產資源的分布調查為主，拓展為山水林田湖草全要素，由數量轉變為數量、質量、生態三位一體綜合調查。衛星遙感全面服務于自然資源調查監測、所有者權益、開發利用、國土空間規劃、用途管制、生態修復和督察執法等自然資源主責主業，不斷推動衛星遙感向自動化、定量化和規模化方向發展，這對衛星遙感數據從譜段、幅寬、定標精度等方面提出了更高的要求。

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)于2019年9月12日成功發射，實現了與資源一號02C衛星的有序接替。衛星同時搭載可見近紅外相機和高光譜相機，定位于中等分辨率、大幅寬觀測和定量化遙感，是我國自主建造并成功運行的首顆民用高光譜業務衛星，也是國家民用空間基礎設施中新型對地觀測衛星。在軌測試期間，開展了衛星數據在土地、地質礦產和環境、測繪、海洋等領域的應用評價，初步驗證了衛星數據的應用能力與潛力，其與后續系列衛星組網，可形成領先的業務化對地光譜探測能力，滿足新時期自然資源監測需求，為逐步實現自然資源新時期遙感監測提供數據保障，并指導后續的業務化應用。

本文介紹了資源一號02D衛星的特點，基于開展的土地資源、地質礦產與環境、基礎測繪、海洋等自然資源典型應用測試結果，總結了衛星的應用能力。

1 資源一號02D衛星的特點

資源一號02D衛星充分考慮了用戶對圖像幅寬、光譜、幾何精度、輻射方面的業務化需求，性能指標較資源一號02C衛星大幅提升(見表1)[4]。資源一號02D衛星的兩個顯著特點：一是大幅寬，二是光譜信息豐富。

表1 資源一號02D衛星與資源一號02C衛星主要參數對比表Table 1 Comparison of main parameters between ZY-1-02D satellite and ZY-1-02C satellite

幅寬大小與數據連片區域覆蓋能力成正比，直接影響衛星的數據獲取效率，而采用相機拼接方式增大幅寬，不僅會對數據的處理效率產生影響，影像邊緣畸變也較大[5]；資源一號02D衛星搭載的可見近紅外相機115 km的大幅寬，可實現大中型城市一次性全覆蓋[6]，具有較強的數據區域連片覆蓋能力。在軌測試期間以云南西雙版納傣族自治州和黑龍江牡丹江市為測區，在不考慮天氣條件下，2019年11月至2020年4月期間，兩個測區均實現了多次覆蓋，最小全覆蓋時間周期僅為7天，區域重疊率較小的兩三軌數據即能達到99%以上的覆蓋。

資源一號02D衛星搭載的可見近紅外相機在傳統4波段的基礎上增加了海岸藍、黃色、紅邊和近紅外，從而具備1個全色和8個多光譜的9譜段成像能力，提供了更豐富的地物光譜信息，測試表明多波段組合更有利于礦山地物的信息提取、有利于地理國情監測要素提取與更新等；高光譜相機可獲取地物在400～2500 nm范圍內166個連續譜段光譜信息，便于開展定量化遙感應用。

2 自然資源典型應用

為驗證資源一號02D衛星在自然資源主體業務中的應用潛力，在完成衛星系統、星地一體化及地面系統測試的基礎上，分別針對可見近紅外相機和高光譜相機標準數據產品，圍繞土地資源、地質礦產與生態環境、基礎測繪、海洋海島監測等業務，開展了自然資源應用測試工作(見圖1)，為衛星投入使用后順利轉入業務化應用奠定基礎。

圖1 資源一號02D衛星自然資源應用測試業務圖Fig.1 Services chart of natural resources application test of ZY-1-02D satellite

2.1 土地資源應用

土地資源調查與監測遙感應用的基礎是影像地類的識別能力，即不同地表覆蓋/土地利用類型的可分性[7]。利用資源一號02D衛星可見近紅外相機數據開展了地表覆蓋變化監測應用測試，結果顯示融合影像可識別種植土地、林草覆蓋、房屋建筑(區)、鐵路與道路、構筑物、人工推掘地、水域等一級類，能識別土地二級類中的水田、喬木林、多層及以上房屋建筑區、公路、露天采掘場等部分地物類型；基本能滿足三、四類監測區影像數據保障需求，為土地變更調查提供基礎信息(見圖2)；可提取新增建設用地的最小圖斑滿足最小0.6畝(約400 m2)的要求，可用于土地資源全天候遙感監測；通過多時相高分辨率遙感影像比對，能獲取疑似違法圖斑類型的屬性、范圍等信息(見圖3)。此外寬幅可見近紅外相機具備較強的區域性數據獲取能力，在滿足土地資源領域應用對完整行政轄區覆蓋的需求方面[8],具有顯著優勢。

圖2 地表覆蓋變化監測圖Fig.2 Monitoring the change of land coverage

圖3 疑似違法圖斑(毀林)Fig.3 Suspected illegal spot (deforestation)

2.2 地質礦產與環境應用

利用可見近紅外數據開展了基礎地質、地質環境、地質災害、礦山開發現狀等常規調查監測測試，結果顯示資源一號02D衛星可見近紅外相機融合數據結合其他資料，能區分大部分地層、構造、巖體等基礎地質要素，識別一定規模的崩塌、滑坡、泥石流等地質災害類型，解譯濕地、荒漠化、沙化、水體、植被等環境因子，提取有關礦業活動圖斑(見圖4)。可用于1∶25 000的礦山開發遙感調查與監測、礦產環境恢復治理監管應用評價(見圖5)，1∶50 000的遙感地質解譯、地質災害遙感調查與監測、生態地質環境遙感調查以及農林水土綜合評價等業務。

已有研究表明：基于高光譜豐富的光譜信息，可開展礦物精細識別、水質監測、植被覆蓋監測、生態系統分類、土壤信息提取等應用[9-11]，資源一號02D衛星的高光譜載荷為地質礦產調查與環境監測的定量化應用提供了高光譜數據。

圖4 礦山開采遙感解譯圖Fig.4 Remote sensing interpretation of mining

在礦物信息提取和豐度反演方面，利用資源一號02D衛星高光譜數據采用綜合光譜特征匹配度和特征參量的礦物識別方法，開展了礦物信息提取(見圖6)。結果顯示：高光譜數據對具有明顯光譜特征的礦物信息響應較好，所識別出的褐鐵礦、絹云母、方解石、白云石、綠泥石/綠簾石等礦物特征譜形清晰可辨，特征吸收位置準確；根據礦物特征吸收深度大小可對礦物相對豐度進行反演。可用于區域礦物填圖和找礦預測，為境內外重要成礦帶或者重點區域開展礦物填圖提供數據支撐。

圖5 礦山環境恢復治理圖Fig.5 Restoration and management of mine environment

在水質參數反演方面，利用該星高光譜數據采用水質反演模型，反演了葉綠素a(見圖7)、懸浮物濃度等水質參數。結果顯示：高光譜數據具有與水質參量相關的精細光譜特征，其高的光譜分辨率能為水質參量反演提供更豐富的波段選擇，反演結果與地面實測數據對比整體一致性較好。

在植被參量估算和植被生態系統精細分類方面，相較于傳統多光譜遙感，基于高光譜數據可大大提高植被指數(見圖8)所能反映的信息量，并且能提升植被生態系統類型劃分的精細程度和準確性。綜合利用高光譜地表反射率數據以及空間紋理、植被指數等特征，采用支持向量機分類方法，進行植被生態系統精細分類(見圖9)；綜合目視比較和精度分析認為，選擇合適時相的數據，可有效地進行植被生態系統精細分類。

在土壤參量反演方面，利用高光譜數據可獲取耕地土壤中秸稈分布情況、提取有機質、水分、沙化(見圖10)等部分信息，因疫情影響未開展地面同步實測，精度將在后續相關工作中驗證；但已表明資源一號02D衛星高光譜遙感數據與實驗室理化參量可構建相應指數或模型，實現土壤有機質、鐵氧化物以及部分營養元素信息的定量反演，能推動土壤質量、土壤退化等方面的調查工作。

此外，在軌測試期間，還開展了植被覆蓋區植被異常信息提取，圈定重金屬元素脅迫下部分典型植被分布位置，與已知礦點一致性好，未來對植被覆蓋區遙感找礦具有積極指導意義。

圖6 基于高光譜數據的礦物信息提取圖 Fig.6 Mineral information extracted from the hyperspectral

圖7 基于高光譜數據的水體葉綠素a濃度反演圖Fig.7 Retrieval illustrationof chlorophyll a concentration in water originating from the hyperspectral data

注：NDVI為歸一化植被指數。

2.3 測繪應用

1∶50 000地形數據和地理國情監測數據是構建自然資源三維立體“一張圖”、支撐地表覆蓋自然資源調查監測的重要空間載體。按照相關標準規范和技術要求，利用資源一號02D衛星可見近紅外相機數據，在東北平原地區開展了1∶50 000地形數據庫更新和地理國情監測數據更新等業務應用與評價。結果顯示：其幾何校正精度、影像配準誤差、影像融合效果等質量評價合格，要素紋理清晰，光譜信息豐富，地物識別度高。水系、居民地及設施(見圖11)、交通、植被與土質等典型地物的結構類型、分布范圍、輪廓特征、位置關系等清晰，易于解譯；個別復雜區域利用多波段組合方式，可實現模糊地物要素關系的判別與區分，衛星數據能有效用于1∶50 000地形數據庫更新和地理國情監測數據更新。

圖11 居民地(街區)變化監測Fig.11 Change detection of residential area (block)

2.4 海洋應用

近海及海岸帶是海洋資源豐富且對海洋經濟有巨大貢獻的區域，不同于全球海洋觀測的需求，在近海以及海岸帶區域需要相對較高空間分辨率的衛星數據，利用資源一號02D衛星數據根據相關標準和規范開展了相關主體業務的應用。結果顯示：可見近紅外相機數據質量良好，圖像紋理清晰，對水邊線、冰緣線、浮筏養殖以及海上漂浮藻類、紅樹林和濕地等信息提取準確，能有效的用于圍填海調查、海岸線變化監測、海冰監測(海洋突發事件應急響應等)(見圖12)、近海養殖區監測(見圖13)和大面積綠潮災害監測、海洋典型生態系統監測(見圖14)等；高光譜數據可有效識別海上漂浮藻類，可實現濕地、紅樹林等海洋典型生態系統的分類(見圖15)。另外定標精度提升的高光譜數據可用于近海小范圍的海上水色要素提取。

圖12 遼東灣海冰遙感監測圖Fig.12 Monitoring the sea ice in Liaodong bay

圖13 大連浮筏養殖遙感監測圖Fig.13 Monitoring the floating raft breeding in Dalian

圖14 深圳福田區紅樹林遙感監測圖 Fig.14 Monitoring the mangroves in Futian district, Shenzhen

圖15 基于高光譜的深圳福田區紅樹林分類圖Fig.15 Classification of mangroves deriving from the hyperspectral data in Futian district, Shenzhen

3 結束語

本文通過資源一號02D衛星應用在軌測試表明：該星數據可對土地、地質礦產與環境、測繪、海洋等調查監測要素信息進行高精度解譯，可在礦物識別、水質監測、土壤調查等方面進行定量反演，不僅可用于日常的調查監測監管，也可用于突發事件應急響應，有效服務/推動自然資源調查、監測、監管和應急等業務。在軌測試是限于有限區域和數據的應用測試，后續規模化的星載高光譜數據應用需要大量的同步觀測、光譜樣本等數據支撐；部分探索性應用需進一步驗證和開展技術方法研究；星載高光譜混合像元的分析也需繼續推進。隨著業務應用的深入和在軌數據的不斷積累，資源一號02D衛星將成為自然資源調查監測的重要數據源，以拓展多樣化的遙感監測手段，提高山水林田湖草等自然資源定量化調查監測能力，提升自然資源調查監測技術水平。