環境減災二號A/B衛星在軌測試自然資源典型業務應用評價

魏英娟 梁樹能 肖晨超 李戰

(1 自然資源部國土衛星遙感應用中心，北京 100048) (2 河北省水文工程地質勘查院，石家莊 050021)

隨著遙感技術的快速發展，多載荷衛星遙感數據已成為自然資源行業業務開展的重要數據基礎。國產遙感衛星多載荷、機動、可控、高重訪、多分辨率等特點，提高了我國衛星數據自給率，也為進一步拓展國產衛星數據在自然資源行業典型應用領域的調查監測應用能力提供了數據支撐[1]。

環境減災二號A/B(HJ-2A/B)衛星于2020年9月27日成功發射，兩顆衛星技術狀態相同，設計壽命5年。該組衛星是國家民用空間基礎設施規劃首批啟動的遙感業務衛星，將接替在軌超期運行的環境減災一號A/B衛星。衛星的成功發射，將為我國應急減災、生態環境、自然資源、水利、農業農村、森林草原、地震等領域提供持續業務應用服務[2]。

為探究環境減災二號A/B衛星數據在自然資源行業的應用潛力，用好衛星數據，使其在自然資源調查與監測中發揮重要作用，就需要對衛星在自然資源業務工作中的可用性開展綜合評價，以便有的放矢地在自然資源調查與監測中充分利用[3-4]。

自然資源部國土衛星遙感應用中心參與了該衛星的在軌測試工作，結合我國自然資源行業典型業務領域遙感監測業務需求，利用HJ-2A/B衛星在軌測試階段獲取到的16 m多光譜(CCD)數據和48 m高光譜(HSI)數據，分別從土地利用宏觀監測、生態地質環境遙感調查、地質災害遙感調查、礦產資源開發現狀遙感調查、遙感地質填圖等監測應用領域開展了應用能力的測試評價及總結[5]。

1 環境減災二號A/B衛星的特點

環境減災二號A/B衛星具有高機動能力、高精度控制、高穩定度、載荷適應性較強及長壽命的特點。兩顆衛星均配置16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機和大氣校正儀4種載荷，其中16 m相機通過視場拼接可實現16 m分辨率、800 km幅寬、5譜段成像；高光譜成像儀可實現48 m/96 m分辨率、96 km幅寬、可見至短波譜段高光譜成像；紅外相機可實現48～96 m分辨率、720 km幅寬、紅外多譜段成像；大氣校正儀可在軌同步獲取與16 m相機同視場的大氣多譜段信息，進行氣溶膠和水汽柱濃度校正，提高輻射定量化應用精度。衛星參數如表1所示。

兩顆衛星通過同軌組網可快速獲取地面影像，具備可見及紅外多光譜數據國土2天1張圖、高光譜數據國土15天1張圖的能力，將大幅提高我國中等分辨率可見光、紅外及高光譜數據獲取能力，滿足國家對相關領域遙感數據持續供給的急迫需求。

環境減災二號A/B衛星將與高分一號、高分六號衛星協同組網運行，這是環境減災衛星首次開展衛星項目間的融合協同，星座協同將提高衛星利用率，整體提升中國對地遙感觀測效率[6-7]。

表1 環境減災二號A/B衛星主要參數表Table 1 Main parameters of HJ-2A/B satellites

2 自然資源典型應用

為驗證環境減災二號A/B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、生態地質環境、地質災害、地質礦產等調查監測業務，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[8]。

圖1 環境減災二號A/B衛星自然資源典型應用測試業務圖Fig.1 Services chart of natural resources typical application test of HJ-2A/B satellites

2.1 土地利用宏觀監測

基于國產中分辨率衛星數據進行土地利用宏觀監測，數據源可以得到保證，投入成本少，實施周期短，可實現季度全國土地利用監測，快速掌握土地利用變化情況和變化趨勢，精度符合土地利用動態變化業務需求[9]。利用環境減災二號A/B衛星可見近紅外相機開展了土地利用宏觀監測應用測試(圖1)，影像各類地表要素間的接觸邊界清晰，影像特征明顯，地物類型可識別性高。與前時相高分一號衛星寬視野(WFV)影像進行變化圖斑信息提取，結果顯示前時相部分耕地、草地及建設用地，變為新增建筑物及推填土，結合已有驗證監測成果分析，解譯屬性精度達到100%，面積精度達到90%，滿足土地利用變化遙感監測的技術規程要求，具有較高的大宗新增建設用地地物識別能力及識別精度，能夠滿足土地利用宏觀監測需求。可見，寬幅中分辨率可見近紅外相機具備較強的數據獲取能力，數據質量在滿足土地資源領域應用對完整行政轄區的需求方面，具有顯著優勢[1]。

圖2 雄安地區土地利用宏觀監測遙感解譯圖Fig.2 Remote sensing interpretation map of macroscopic monitoring of land use in Xiong’ an area

2.2 生態地質環境遙感調查

生態地質環境遙感調查是指利用遙感技術對由地質作用形成并影響人類生存和發展的地質空間環境進行的調查、分析與評價[3]。利用環境減災二號A/B衛星可見近紅外數據開展了土地荒漠化信息提取能力的測試，評測指標主要為土地荒漠化的類型識別精度及程度識別精度。可見近紅外影像在荒漠化土地上顯示出較強的可判讀性：色調符合真實地物，邊界清晰，層次豐富，紋理細節明顯，容易辨認新月形、弧形、線性等紋理特征，風積、風蝕地貌，輕度、中度、重度沙質荒漠化程度特征標志明顯。如圖3所示解譯結果顯示，民勤縣土地沙質荒漠化測試區與5年前時相對比，解譯結果相差-487.94 hm2，變化率為-4.94%，能夠目視解譯的最小生態地質環境要素圖斑平均大小約3000 m2，滿足1∶25萬區域地質環境調查地質環境因子解譯圖斑最小上圖面積4 mm2(實地面積250 000 m2)，在土地荒漠化生態地質環境調查方面具有較好的應用前景。

圖3 民勤縣土地沙質荒漠化遙感解譯圖Fig.3 Remote sensing interpretation map of sandy desertification in Minqin County

2.3 地質災害調查監測

地質災害調查監測大多需要高空間分辨率影像數據，鑒于環境減災二號A/B衛星數據分辨率的局限性[3]，主要利用16 m可見近紅外數據，根據相關技術規程和要求開展大型特大型滑坡、泥石流地質災害調查與監測應用能力評價，主要以傳統人機交互解譯為主，提取滑坡、泥石流地質災害，從一致性、邊界準確度、可識別圖斑面積等方面評價數據的應用能力。從影像特征看，泥石流在影像中可以看出泥石流溝和堆積扇，容易區分出泥石流邊界(圖4)；金沙江及其支流沿岸的特大型滑坡可以看出滑坡前后緣及滑坡堆積體，容易區分出滑坡邊界(圖5)。解譯結果顯示，可見近近紅外數據基本能識別寬度大于800 m、長度大于1000 m的泥石流，寬度大于400 m、長度大于600 m滑坡等地質體。總之，環境減災二號A/B衛星可見近紅外數據從獲取時效性，數據覆蓋能力，以及數據質量等方面都能滿足1∶25萬地質災害調查監測應用。

圖4 烏恰縣泥石流地質災害遙感解譯圖Fig.4 Remote sensing interpretation map of debris flow geological hazards in Wuqia County

圖5 特大型滑坡地質災害遙感監測對比圖Fig.5 Remote sensing monitoring comparison of super-large landslide geological disasters

2.4 礦產資源開發現狀遙感監測

按照礦產資源開發多目標遙感調查與監測基本技術要求，礦產資源開發現狀遙感調查與監測主要是調查和監測礦產資源開采點的分布位置、數量、開采方式、開采狀態以及固體廢棄物堆放情況等[3]。鑒于環境減災二號A/B衛星數據空間分辨率的局限性，主要利用16 m可見近紅外數據，開展了露天采場、尾礦庫和固體廢棄物等礦山占地的范圍、位置的解譯能力評價，開采方式及狀態由于受分辨率的限制，推斷解譯的難度較大。從影像上看，地類層次分明，紋理信息豐富，邊界清晰，波段間匹配精度高，可直接通過解譯標志準確識別采場，固體廢棄物，尾礦庫的壩體、尾沙區、廢水區等的位置及范圍(見圖6，7)。解譯結果顯示，礦產資源開發利用的遙感解譯結果精度與已有監測成果比較，達到87.48%。總之，環境減災二號A/B衛星可見近紅外數據對于大型礦山遙感監測具有很好的解譯能力，滿足1∶25萬地質災害調查監測應用。

圖6 礦產資源開發要素解譯標志圖Fig.6 Interpretation sign diagram of mineral resources development elements

圖7 遷安市礦產資源開發現狀遙感解譯圖Fig.7 Remote sensing interpretation map of mineral resources development status in Qian’ an city

2.5 遙感地質填圖

基礎地質調查是一切地質工作的基礎[3]。利用環境減災二號A/B衛星可見近紅外數據，按照1∶25萬遙感區域地質礦產調查的相關規范或要求等，評價數據在地層、巖石類型、構造等各類地質要素的屬性、形態、接觸關系等的可解譯性(圖8)；利用環境減災二號A/B衛星高光譜相機載荷數據，按照高光譜數據巖礦信息提取相關技術要求，評價數據對巖性、礦物信息的識別精度(圖9)。

圖8 青海省冷湖鎮蘇干湖南地區遙感解譯地質圖Fig.8 Remote sensing interpretation geological map of Sugan Hunan area, Lenghu Town, Qinghai Province

地質要素的可解譯性方面，地質體間的接觸邊界差異明顯，地質體的識別能力較強，部分地質體間的接觸邊界較為清晰，在斷裂構造的識別、構造位置的空間展布等構造信息的判識上應用效果較好，能夠滿足基礎地質遙感調查對遙感數據質量的要求。可見-近紅外相機16 m多光譜影像數據能有效地識別并圈出長度大于338 m，寬度大于82 m的閉合地質體；寬度大于243 m、長度大于690 m的塊狀地質體；寬度大于80 m、長度大于700 m的線狀地質體(斷裂、脈巖等)，該最大識別度能夠滿足1∶250 000遙感地質調查技術規定的規范要求。

對于高光譜巖性礦物識別，在光譜特征方面，所獲取到的測試環境減災二號A/B衛星高光譜數據在絹云母、綠泥石、方解石及白云石等蝕變礦物具有相對較好的礦物診斷識別特征，能較好的識別和提取出該四類蝕變礦物信息，方解石、白云石礦物識別精度相對較好，與區內大理巖地層具有一定的吻合度；綠泥石礦物和絹云母礦物識別精度一般。

圖9 青海省冷湖鎮東地區高光譜相機數據礦物分布圖Fig.9 Mineral distribution map of hyperspectral camera data in the east area of Lenghu Town, Qinghai Province

3 結束語

環境減災二號A/B衛星自然資源行業典型業務的在軌應用測試，基本表明：該衛星可有效用于土地利用宏觀監測、生態地質環境遙感調查、地質災害遙感調查、礦產資源開發現狀遙感調查、遙感地質填圖等遙感調查監測,能夠為自然資源調查監測監管的衛星數據獲取提供有力保障。

從圖面質量看，可見近紅外數據圖面清晰度好，細節地物表現能力強，信息量豐富，可解譯性高；高光譜數據光譜信息豐富，在礦物識別方面可進行定量反演。從解譯反演精度看，可見近紅外數據解譯成果滿足1∶25萬遙感調查監測要求；高光譜數據針對特定礦物識別的精度較高。

由于在軌測試時間較短，用于測試的有效數據還不多，基于高光譜相機和紅外相機的測試項很少，衛星投入使用后，將在更多區域、更長時間序列開展更為客觀可靠的應用評價。

本次應用評價結果僅僅基于有限的數據樣本，對環境減災二號衛星數據的業務化應用能力的全面評價還需要在后續的規模化應用中繼續進行和不斷完善，以便為后續星的研發提出全面客觀的建議。