強強聯手的“高分”家族

文/ 趙志遠

2006 年,我國將高分辨率對地觀測系統重大專項（簡稱高分專項）列入《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006-2020 年）》，實施方案經國務院常務會審議批準后，2010 年，高分專項全面啟動實施。

高分專項系統由天基觀測系統、臨近空間觀測系統、航空觀測系統、地面系統、應用系統等組成，采用“天、空、地”一體化的先進設計理念，并與其他遙感衛星緊密結合。主要使命是加快我國空間信息與應用技術發展，提升自主創新能力，建設高分辨率先進對地觀測系統，滿足國民經濟建設、社會發展和國家安全的需要。

隨著星座建設發展，高分專項有力地保障了現代農業、防災減災、資源調查、環境保護和國家安全的重大戰略需求，大力支撐國土調查與利用、地理測繪、海洋和氣候氣象觀測、水利和林業資源監測、城市和交通精細化管理、衛生疫情監測、地球系統科學研究等重大領域應用需求，積極支持區域示范應用，加快推動空間信息產業發展。

那么高分星座是如何強強聯手的呢？讓我們一探究竟。

得之不易的“高分”

高分專項要建設具備高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測能力的自主、先進的對地觀測系統，并與其他觀測手段結合，形成具備時空協調、全天時、全天候、全球觀測能力的穩定運行系統。

▲ 高分一號衛星拍攝的三峽大壩

眾所周知，由于對地觀測衛星站得高、看得遠，所以在國計民生中有重要作用。評估對地觀測衛星性能的一個重要指標就是分辨率，它包括空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率等。其中空間分辨率最令人關注，它對衛星應用的深度和廣度具有重要影響。

空間分辨率一詞來源于光學，是指兩個點光源彼此接近到恰能被分辨出的最小距離，能顯示遙感衛星分辨目標的能力。具體說來，它是指能從光學成像衛星所拍照片上辨別地面目標的最小尺寸。例如，假設某顆光學成像衛星能夠辨別的最小地面目標為2米，則這顆對地觀測衛星的分辨率就是2 米。

一般來講，光學成像衛星的運行軌道越高，空間分辨率就越低，所以高分辨率遙感衛星通常運行在低軌道。另外，星載相機的焦距越大，分辨率也越高，這與日常生活中使用變焦相機攝影的原理相同。當然，現在也可用其他辦法提高分辨率。

▲ 高分二號衛星拍攝的三峽大壩

對雷達成像衛星而言，分辨率的含義與光學成像衛星有所區別。它指雷達圖像上能夠區分開的地面兩個不同目標的最小距離，具體有方位分辨率、距離分辨率和面分辨率3 種參數。其中，面分辨率是方位分辨率與距離分辨率的乘積，表示地面分辨單元的大小，對觀測分布目標有重要作用。

雷達成像衛星的分辨率與衛星的運動方向有關，通常用區分同一運動方向上相鄰兩個目標的能力來表示。提高分辨率的方式主要有兩種，一是采用短波長，二是增加天線口徑。因此可以提高雷達波的頻率，縮短其波長來提高分辨率。但當頻率增加到一定程度時，大氣對雷達波的衰減和吸收特性就會表現得非常明顯，從而影響雷達的正常工作。同樣，雷達的天線口徑不可能無限增加，所以目前大都使用合成孔徑雷達。合成孔徑雷達的分辨率現在已經可以達到0.3 米量級。

一般而言，空間分辨率優于1 米的光學成像衛星和空間分辨率優于3 米的雷達成像衛星被稱為高分辨率對地觀測衛星。

另外，對地觀測衛星的時間分辨率也很重要。所謂時間分辨率是指重復觀測同一地區所需要的時間。比如衛星重復觀測同一地區一次需要2 天，就比需要4 天的時間分辨率高1 倍。

時間分辨率對于觀測同一區域的動態變化十分重要，但它與空間分辨率往往是一對“冤家”，因為如果衛星運行軌道高，覆蓋面就大，時間分辨率就能相應增加，但空間分辨率則會隨之降低。所以一般來講，用于普查的對地觀測衛星的軌道和時間分辨率較高，但空間分辨率較低；用于詳查的對地觀測衛星的軌道和時間分辨率較低，但空間分辨率較高。

▲ 高分二號衛星城市建筑物識別應用

可以看出，對于高分辨率衛星來說，兩個重要的指標：空間分辨率和時間分辨率就像是硬幣的兩面，很難同時兼顧，因此需要根據應用選擇合適的“搭配”。

因“用”制宜得“高分”

在實際應用中，也并不都是要求分辨率越高越好。在某些情況下，太高的分辨率反而可能造成只見樹木，不見森林。為此，人們根據發現、識別、確認和詳細描述偵察目標這四個檔次來要求分辨率。

從發現到詳細描述所需要的分別率是逐漸提高的。一般來說，發現目標所需分辨率為目標尺寸的1/2，如卡車長6 米，則發現卡車需要的分辨率為3 米。識別目標是能夠判斷目標的類型或屬性，所需的分辨率是目標尺寸的1/5 ～1/7，所以識別卡車的分辨率應為1 米。確認目標則需要從同類物體中區分出不同的型號，所需的分辨率為目標尺寸的1/10，比如區分是公共汽車還是卡車，確認卡車的分辨率應為0.6 米。詳細描述則可以辨認目標的特征和細節，所需的分辨率是目標尺寸的1/30 ～1/60，還是以卡車為例，分辨率應為0.2 米。

所以盡管現在對衛星的分辨率追求越來越高，但并不是所有衛星都需要高分辨率，主要看用戶的用途需求。

對于用戶方之一的國土資源部來說，1 米和2 米分辨率的衛星影像可以滿足他們不同方面的數據應用。但對于住房和城鄉建設部、交通運輸部的需求來說，2 米分辨率在多數時候則顯得捉襟見肘。而高分二號衛星米級分辨率的成像能力在城市建設用地規劃、調查和執法以及道路監測和規劃等方面，則顯得游刃有余。

也就是說側重于大面積“普查”的高分一號衛星在很多時候可以滿足國土資源調查需求，而能夠發揮“詳查”作用的高分二號衛星米級分辨率的成像能力則可以滿足住房和城鄉建設部、交通運輸部的需求。

除此之外，“高分三號”是微波遙感衛星，主要用于對海洋目標的觀測；“高分四號”是高軌光學成像衛星，運行在距地面3.6 萬千米的地球同步軌道，俯瞰半個地球；“高分五號”是高光譜觀測衛星，主要用于氣象觀測；“高分六號”與“高分一號”類似，但技術上有了進一步提升；“高分七號”是測繪衛星。

高分衛星的特點簡單說就是分辨率高，包括高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率，從而能更好、更快、更廣、更長地進行對地觀測，有力地促進我國國計民生各個領域水平高速發展。我國的目標是建成高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率的對地觀測系統。我國每顆高分衛星各自還有各自的特點，因而用途廣泛，可以滿足多方面需求。

另外，高分家族的多種組合形式可以更快滿足利用高-中-低分辨率遙感影像的大區域耕地快速監測研究。高分辨率的遙感影像能夠精確地提供耕地數據，但是覆蓋面積小，解譯費時費力，工作量大，重訪周期長，不能及時進行監測；中低分辨率遙感影像覆蓋面積大，重訪周期短，但是精度卻很難達到要求，造成了數據的不準確。目前，國內外在較大范圍內進行耕地監測并不多，要獲得快速、準確的監測結果，大多利用不同分辨率的遙感影像，采用空間抽樣的方法進行。

當然，高分辨率肯定是遙感最主要的發展方向，畢竟高的分別率可以帶來更加清晰的畫面。但是如前所說，空間分辨率的提高會造成時間分辨率的降低，如何在更快的速度下獲得更高的分辨率的畫面，將成為未來遙感技術發展的方向之一。★