高分三號衛星在應急監測中的應用

文 | 劉建強 安文韜 梁超 曾韜 徐玉柱

1.國家衛星海洋應用中心

2.自然資源部空間海洋遙感與應用重點實驗室

一、前言

進入21世紀以來，隨著我國海洋權益維護、海洋防災減災、海洋資源開發以及海洋環境監測需求的激增，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》明確規劃了“高分辨率對地觀測系統重大專項”（簡稱高分專項）等共16個重大專項工程。其中，高分三號（GF-3）衛星工程是高分專項首批啟動的重要研制工程項目之一，該項目研制我國首顆C頻段多極化高分辨率微波遙感衛星及配套工程，提供可靠、穩定的高分辨率合成孔徑雷達（SAR）圖像，改善我國民用天基高分辨率SAR圖像全部依賴進口的狀態，并在引領我國民用高分辨率微波遙感衛星應用中起到重要示范作用。

GF-3衛星于2016年8月10日成功發射，2017年1月23日正式投入使用，能夠全天候實現全球海洋和陸地信息的監視監測，并通過左右姿態機動提升快速響應能力、擴大對地觀測范圍，其獲取的C頻段多極化SAR圖像可以用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，服務于我國海洋、減災、水利、氣象、農業、國土、環保、國安、公安、住建、交通、統計、林業、地震、測繪、國防等多個行業。GF-3衛星顯著提升了我國對地遙感觀測能力，是高分專項工程實現全天候、全天時對地觀測目標的重要基礎。

二、高分三號衛星技術特點

GF-3衛星是我國第一顆民用多極化微波遙感SAR衛星，設計壽命達到8年，是迄今為止我國研制的空間分辨率最高的民用SAR衛星。衛星配置一套相控陣體制合成孔徑雷達系統，具有聚束、條帶、掃描、波模式等12種成像模式，分辨率達到1～500m，幅寬達到10～650km。采用高速信號調制技術和高增益點波束天線，實現2×450Mbit/s數據傳輸速率；能夠在525s內實現整星側擺63°并穩定。

GF-3衛星為滿足多用戶需求在系統設計上進行了全面優化，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式、長壽命運行等特點，主要技術指標達到或超過國際同類衛星水平。GF-3衛星突破星載SAR多極化和定量化遙感、低軌遙感衛星長壽命設計等關鍵技術，提升了我國微波遙感衛星工程研制水平。

GF-3衛星的技術特點使其非常適合于防災減災的應急監測。首先，GF-3具備12種成像觀測模式，可以針對臺風、洪澇、雨雪冰凍等大范圍災害和滑坡、泥石流、火災、房屋倒塌等中、小范圍災害靈活選用最佳觀測模式。其次，災害發生時通常伴隨惡劣天氣和煙塵，GF-3衛星搭載的SAR載荷可以穿透云雨、沙塵和霧霾，且無論白天還是夜晚均可觀測，這一優點對應急監測至關重要。同時，GF-3衛星具有優秀的重訪能力，其單側視情況下平均重訪周期小于3天；雙側視情況下，在10m分辨率100km幅寬的模式下，實時觀測區（5°S～53°N、70°E～150°E）內90%地區重訪周期小于1.5天。

三、高分三號衛星應急監測

GF-3衛星投入使用后，基于其自身全天時、全天候、多種觀測模式和高重訪的技術特點，在防災減災、應急處突等應急監測中取得了海量的應用成果，下面是其在綠潮監測、溢油監測、汛情監測、地震監測、海冰監測、臺風監測、極地航行保障等7個方面的具體應用情況和一些典型應用實例。

1． 綠潮監測

自2008年起，自然資源部國家衛星海洋應用中心每年夏季開展黃東海滸苔綠潮遙感監測，主要數據源包括海洋一號C/D星（HY-C/D）、Terra/Aqua、高分系列等光學及SAR遙感衛星數據，其中GF-3衛星SAR數據在光學衛星受云覆蓋影響時成為重要的協同監測手段，有助于全天候獲取滸苔綠潮最新實況信息，進一步保障相關部門滸苔綠潮綜合防控工作開展。

圖1為2021年6月29日18時過境的GF-3衛星SAR數據監測影像圖及滸苔綠潮監測專題圖，可見當日黃東海滸苔綠潮主要位于青島東部、東北部及東南部海域，分布較為密集，部分滸苔綠潮已經進入青島膠州灣內，在青島黃島區、嶗山區也有較多滸苔綠潮登陸，影像探測范圍內滸苔綠潮覆蓋面積達313km。

圖1 2021年6月29日GF-3衛星綠潮監測專題產品示例

2． 溢油監測

2021年4月27日9時許，巴拿馬籍雜貨船“義海”輪（SEA JUSTICE）與利比里亞籍錨泊油船“交響樂”輪（A SYMPHONY）在山東青島朝連島東南海域發生碰撞，導致油船一貨艙受損溢油。針對此次“義海”輪與“交響樂”輪碰撞造成的“4·27”黃海海上重大溢油事故，國家衛星海洋應用中心立即啟動應急監測程序，利用海洋一號（HY-1）、哨兵二號（Sentinel-2）、GF-3等國內外遙感數據開展跟蹤監測，為相關部門的溢油現場處置提供了信息支撐。

圖2為利用2021年5月2日17時50分過境的GF-3衛星SAR數據對事故海域進行監測，在事故船只“交響樂”輪位置（北緯35°44.0’、東經120°58.4’）附近及其北側海域發現1處油膜分布區，油膜區位于“交響樂”輪南側偏東海域，呈彎曲狀細長條帶和不規則面狀混合形態，擴散程度較高，總面積約175km，油膜分布區東西向分布范圍約25km，南北向分布范圍約23km，中心點坐標：121°2'44"E、35°41'2"N。

圖2 2021年5月2日GF-3衛星溢油監測專題圖示例

3． 汛情監測

GF-3衛星在大型江河湖海的水體監測中效果非常好，是汛情監測的有效、有力的工具之一。

2020年7月江西連續降雨，導致鄱陽湖水體面積持續增大。GF-3衛星高效地獲取了多個時次全天候全天時SAR數據，相關數據提供給自然資源江西省衛星應用技術中心，為快速應對洪澇提供了有力依據。

GF-3衛星獲取的鄱陽湖區域7月8日、11日、13日、15日、17日、18日的6期觀測數據監測結果顯示13日水體面積最大，15日有所緩解，各江河與鄱陽湖已經連成一片，靠湖的區域不同程度受淹，湖中地勢較高的區域露出水面。7月11日、13日、15日、17日對鄱陽縣昌洲鄉監測結果顯示，昌江發生潰口，昌洲鄉中洲全部被淹，由GF-3數據中提取了潰口位置與長度、受淹區域面積等信息，7月17日圖像顯示潰口已經合攏。圖3展示的是7月17日GF-3衛星鄱陽縣局部遙感影像圖。

圖3 2020年7月17日GF-3衛星鄱陽縣局部遙感影像

2021年7月20日08時至7月21日06時，河南中北部出現大暴雨，鄭州、新鄉、開封、周口、焦作等地部分地區出現特大暴雨，河南10個國家級氣象觀測站日降雨量突破有氣象記錄以來歷史極值。

國家衛星海洋應用中心迅速聯系中國資源衛星應用中心，安排GF-3衛星觀測計劃。同時根據河南省自然資源衛星應用技術中心的請求，篩查了近期的GF-3衛星SAR數據，在獲得新SAR數據后制作了相關區域的變化對比專題圖。所有獲取的數據與制作的產品及時放在共享鏈接，為前方災情分析處置及時提供衛星數據保障。

圖4展示的是河南省尉氏縣賈魯河段7月15日和20日兩天獲取的兩景GF-3衛星遙感圖像，由兩圖對比可以明顯發現賈魯河河道中滿是積水，且在河流的西南一側淹沒了大面積的農田，多個村莊受到了積水的威脅。

圖4 GF-3衛星尉氏縣賈魯河段遙感影像圖

4. 地震監測

據中國地震臺網測定，2021年5月22日2時4分在青海果洛州瑪多縣發生7.4級地震，震源深度17km，震中位于34.59°N，98.34°E。震中距瑪多縣城38km、距西寧市385km。震中5km范圍內平均海拔約4230m，震中50km范圍內人口較少。

在獲悉地震消息后，國家衛星海洋應用中心迅速協調中國資源衛星應用中心安排了GF-3衛星合成孔徑雷達拍攝，同時建立了數據與專題遙感影像產品共享網址。圖5展示的是由5月24日GF-3衛星聚束模式觀測圖像中提取出的青海野馬灘大橋坍塌信息專題圖。

圖5 2021年5月24日GF-3衛星青海野馬灘大橋遙感影像圖

5． 海冰監測

每年冬季國家衛星海洋應用中心綜合利用GF-3、HY-1等衛星資料，對渤海及黃海北部的冬季海冰冰情開展業務化監測，實現了冰期每天一期的監測能力。2018年發布100期、2019年發布90期渤海及黃海北部海冰業務化監測報告，向國家、海區、省市三級部門和單位提供服務，為海冰冰情監測與災害評估和應急響應提供了不可或缺的信息支撐。

圖6顯示了2019—2020年度冬季渤海和黃海北部海冰整體時空變化分布特征，自2019年12月至2020年2月為渤海結冰期，隨著季節變換，海冰大體經過初冰期、增長期、盛冰期和融冰期，在不同的冰期，隨著冷空氣活動影響，海冰也會出現不同程度的增長和消融。

圖6 2019—2020年度渤海、黃海每日海冰面積統計

GF-3衛星具有較高分辨率，其對海冰冰型特征、冰上目標等都具備較好的成像效果，對于識別冰區目標和冰上航道具有顯著優勢。由于海冰和海水對于雷達波的后向散射特征具有較大差異，在GF-3影像上就能較好地識別海水和海冰。圖7為利用GF-3衛星寬幅掃描模式數據制作的2020年2月27日獲取的遼東灣的海冰監測專題產品。

圖7 2020年2月27日GF-3衛星渤海海冰監測專題圖

6． 臺風監測

從2018年開始利用GF-3、HY-2、MetOp-A/B衛星等資料開展了西北太平洋區域臺風監測工作，全年共監測到21次臺風，制作臺風監測專題圖219幅，疊加云圖臺風專題圖192幅。2019年，數據源新增HY-2B衛星和中法海洋衛星（CFOSAT），全年共監測到27次臺風過程，制作臺風遙感監測專題圖384幅，及時提供給國家、海區、省市三級海洋預報部門，為汛期臺風預報會商提供了近實時的臺風實況信息保障。

圖8給出了2018年第19號臺風“蘇力”的GF-3衛星原始影像和風場信息反演專題圖。風場反演圖中用顏色表示風速，箭頭表示風向，可以清晰看到臺風眼周圍風速可達30m/s以上，而臺風眼里風速反而很低。

圖8 2018年8月19日GF-3衛星臺風海面風場監測產品示例

7． 極地航行保障

2018年，利用雪龍船船載移動接收和數據處理系統為中國第9次北極考察和第35次南極考察提供光學遙感影像及專題產品300余幅，技術人員在第9次北極考察前組織進行了GF-3衛星接收試驗，確認了船載系統GF-3衛星數據的接收能力，并在第9次北極考察和第35次南極考察期間組織進行了多次GF-3衛星實時接收任務，提供了多幅高分辨率SAR海冰數據產品。根據雪龍船第35次南極考察的科考、卸貨及航行需求，依據常規服務標準制定了GF-3衛星數據應急觀測計劃，為雪龍船冰區航行、作業及南極中山站、羅斯海新站冰區停靠卸貨提供了高分辨率SAR海冰專題圖（圖9），共計30余幅，為雪龍船冰區的安全航行及停靠提供了重要支撐。

圖9 2018年12月1日GF-3衛星中山站周邊海冰監測產品示例

2019年，利用雪龍船船載移動接收和數據處理系統為中國第36次南極破冰船航行保障提供衛星遙感影像及專題產品。利用HY-1C、GF-3等自然資源衛星數據為破冰船浮冰區航行期間提供了衛星遙感浮冰的動態變化監測專題產品，為破冰船安全、迅速地在浮冰區穿行提供了保障。在中山站海冰卸貨保障方面，HY-1C、GF-3等自然資源衛星從出航以來對中山站固定冰進行了連續監測，獲取了亂冰區和冰裂隙分布等關鍵信息，為雪龍號選定了合適的著陸點，幫助考察隊合理規劃雪地車冰上運輸路線，為中山站海冰卸貨安全順利完成提供了有力的保障。

四、結論與展望

GF-3衛星依托其技術特點和觀測優勢，在防災救災和應急監測上已形成了大量的應用成果，其數據已被廣泛用于海洋、減災、水利及氣象等多個領域，取得了顯著的應用效益。

GF-3衛星后續的兩顆業務衛星已立項研制，將于2021年10月和2022年年初發射，發射后將與GF-3衛星一起三星組網運行，從而實現重點區域一天兩次重訪能力，進一步提升數據獲取能力，將可為應急觀測提供更充分的觀測能力保障。同時，這兩顆業務衛星還將搭載船舶自動識別系統（AIS），從而實現與海上船舶SAR觀測數據的同步信息獲取，極大地提升對海上船舶目標的監測能力。

在可以預見的未來，GF-3衛星及其后續業務衛星，將成為我國實施海洋開發、進行陸地環境資源監測和應急防災減災的重要技術支撐，將有效改變我國高分辨率SAR圖像依賴進口的現狀，對海洋強國、“一帶一路”建設均具有重要意義。