中國高分辨率對地觀測系統衛星概況、特征及應用

劉麗明，王 晉

(山東建筑大學 資源與環境創新研究院，濟南 250101)

高分辨率遙感衛星(后簡稱高分衛星/GF衛星)，是指擁有較高空間、光譜或時間分辨率的對地觀測遙感衛星[1]。高分辨率對地觀測系統重大專項啟動以來，我國共成功發射高分系列衛星20余顆，其中比較有代表性的是高分一號、高分辨率多模綜合成像衛星、高分十四號等衛星[2]。我國高分系列衛星類型多種多樣，其光譜分辨率從全色-多光譜到高光譜，其波長從紫外波長到微波波長。簡而概之，高分一號高分寬幅、高分二號亞米全色、高分三號多極化SAR成像、高分四號地球同步軌道秒級成像、高分五號高光譜觀測、高分六號高分寬幅及精準農業、高分七號高分立體測繪，等等。高分系列衛星的成功研發、發射和應用標志著我國遙感技術與衛星工程發展的再次飛躍，標志著我國衛星遙感能力的國際影響力得到進一步提升。高分系列衛星極大豐富了我國自主對地觀測的數據源，為國產高分遙感數據的穩定供應提供了有力保障，對生態經濟綠色循環高質量發展、生態文明建設、生態環境可持續發展、現代精準農業、綜合防災減災、脫貧攻堅等戰略的實施具有重大意義[3]。

1 高分一號衛星概況、特征及應用

1.1 高分一號衛星概況

高分一號衛星于2013年4月26日發射入軌，軌道傾角與降焦點地方時分別為98.0506°與10：30 AM。該衛星搭載了兩臺全色多光譜相機(PMS)與4臺寬幅多光譜相機(WFV)，重訪周期和回歸周期分別為4 d與41 d[4-5]。

表1 GF-1衛星--GF-8衛星簡表

表2 GF-1衛星有效載荷參數

1.2 高分一號衛星特征與應用

高分一號衛星在空間分辨率、多光譜和大覆蓋3個方面實現了較好的結合，適用于用戶精細化應用需求。此外，高分一號的低軌道衛星平臺采用三軸穩定控制方式，具有較高的機動側擺能力和較高精度的姿態控制能力[6]；高分一號具有2×450 Mbp數據傳輸能力，滿足大數據量應用需求。

自2013年高分一號傳回影像數據以來，憑借其大寬幅、高時相和高空間分辨率相結合的特征和優勢，在我國農業農村、災害監測與后評估、生態環境保護、土地覆蓋類型變化與地貌類型提取、資源調查、城鄉建設、測繪等領域與行業中得到廣泛應用。例如，憑借其高分寬幅的特征，僅需34景高分一號WFV影像數據即可完成對6 587 km2南京市的農業用地精面積、用地類型等精細提取[7]；僅需6景高分一號PMS遙感影像數據即可完成對2 686 km2福建省龍巖市新羅區森林覆蓋面積的提取[8]。

2 高分二號衛星概況、特征及應用

2.1 高分二號衛星概況

高分二號衛星于2014年8月14日發射入軌，軌道傾角與降焦點地方時分別為97.908 0°與10：30 AM。高分二號衛星重2.1 t，設計壽命5～8年。高分二號裝載的PMS相機星下點像元分辨率為0.81 m/3.24 m，重訪周期與回歸周期分別為5 d與69 d[9]。

表3 GF-2衛星有效載荷技術指標

2.2 高分二號衛星特征與應用

高分二號衛星具有亞米級空間分辨率，具有大幅寬成像技術與輕小型相機設計技術，具有高集成高動態低噪聲成像電路設計、高重訪率軌道優化設計、載荷多種靈活工作模式設計與高圖像定位精度設計[10]。此外，該衛星具有高圖像輻射精度、高定位精度等特點[11]。借助于高分二號亞米級空間分辨率的顯著特征，該衛星可應用于土地覆蓋地物識別，可應用于海岸線、黑臭水體、城市不透水面等要素的高精度提取，可應用于礦山開采、地質災害、土壤含水量等方面的高精度監測[12-14]。例如，基于支持向量機和隨機森林兩種分類器可實現不同時相及特征維度下的油松、山杏、側柏等8類樹種的分類提取[15]。此外，高分二號亞米級空間分辨率的遙感影像還可以用于快速獲取1∶1萬比例尺的近實時數字地形圖[16]。

3 高分三號衛星概況、特征及應用

3.1 高分三號衛星概況

高分三號衛星于2016年8月10日發射入軌，是我國首顆分辨率達到1 m的C波段多極化SAR衛星[17]。

3.2 高分三號衛星特征與應用

高分三號衛星具有高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率及高觀測精度等特征，可以全天候全天時地對地觀測，可以根據不同需求生成1～500 m分辨率、10～650 km幅寬的影像數據，是目前分辨率最高的C波段、多極化衛星。高分三號的常規入射角為20°～50°，擴展入射角可達10°～60°，擁有12種成像模式，如表4所示，是目前世界上工作模式最多的SAR衛星。該衛星在條帶、掃描、聚束模式下還可切換不同分辨率和入射角。高分三號的工作功率可達萬瓦級，因此可以獲取高性能的微波圖像。

表4 GF-3衛星有效載荷技術指標

表5 GF-4衛星有效載荷技術指標

作為C波段微波衛星，高分三號可應用于地物分類、水體提取、海洋環境監測、地質解譯、內波反演、應急防災減災等領域，且具有不受氣象因素影響全天候全天時的對地觀測能力[18-19]。作為我國目前多分辨率最高極化SAR衛星，高分三號衛星可應用于形變監測、表面運動監測、地質災害預警等領域。例如，2017年九寨溝7.0級地震后，利用地震前后兩景高三號SAR影像即可具有干涉條紋的干涉圖及同震形變場，且形變場與驗證結果吻合[20]；基于高三號FSII-SAR影像與偏移量跟蹤技術即可精確得到念青唐古拉山依嘎的表面冰川運動情況[21]。

4 高分四號衛星概況、特征及應用

4.1 高分四號衛星概況

高分四號衛星于2015年12月29日發射入軌，是我國自主研發的第一顆地球同步軌道高分辨率光學遙感衛星 。高分四號的定點位置為105.6°E，搭載了一臺可見光50 m/中波紅外400 m分辨率、大于400 km幅寬的凝視相機，設計壽命為8年，可以實現對我國及周邊地區的觀測[22-23]。

4.2 高分四號衛星特征與應用

高分四號衛星的運行軌道為地球同步軌道，其成像載荷是一臺配備了可見與紅外一體化光學鏡頭、CMOS探測器等國際先進傳感器的面陣凝視相機。因此，高分四號可在實現單像元較高分辨的基礎上，同時滿足星下點圖像大于400 km×400 km的成像幅寬[24]。此外，高分四號衛星可有效的獲取高品質的氣象云圖，進行應急觀測和追蹤觀測，短臨預報精確[25]。高分四號衛星成像速度快、速度短，時間分辨率可達秒級，可對洪災、火災等突發性災害進行近實時監測[26-29]。以上特點提高了高分四號防災減災的時效性，補充了我國環境、農業、氣象等領域的監測技術手段，開辟了我國靜止軌道衛星對地觀測的新領域[28-31]。

5 高分五號衛星概況、特征及應用

5.1 高分五號衛星概況

高分五號衛星于2018年5月9日發射入軌，軌道傾角與降焦點地方時分別為98.203°、13：30，回歸周期為51 d。該衛星的成功發射對環境綜合監測的需求和高光譜遙感信息資源的獲取具有重要意義[32]。高分五號搭載了大氣痕量氣體差分吸收光譜儀等6臺載荷[33]。荷載具體參數如表6所示。

表6 GF-5衛星6臺載荷主要參數

表7 GF-6衛星有效載荷參數

表8 GF-7衛星荷載主要參數

表9 GF-8衛星到GF-12衛星簡表

5.2 高分五號衛星特征與應用

高分五號是我國光譜分辨率最高的衛星。在高分五號搭載的6個荷載中，大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀是我國第一個星載超高光譜掩星探測載荷[34]。全譜段光譜成像儀具有譜段范圍寬、空間分辨率高、輻射定標精度高等技術特征[35]。

高分五號的高光譜特性在國家污染減排監測、大氣成分變化監測、國土資源調查等方面可以發揮重要作用[36]。其中，大氣痕量氣體差分吸收光譜儀可應用于探測與監測大氣中的SO2、O3、NO2、ClO2、HCHO等痕量氣體的分布和變化[37]。大氣主要溫室氣體監測儀可用于監測CO2、CH4等溫室氣體的檢測，用于分析大氣環境和氣候變化[38]。大氣氣溶膠多角度偏振探測儀可用于探測氣溶膠、水色、云、云頂氣壓、大氣水汽等目標[39]。可見短波紅外高光譜相機可用于反演植被種類、葉綠素濃度、冰雪粒大小等地面與水體參數，識別地表礦物成分、巖石類別等目標，應用于地質填圖、農林變化、災害監測、水域污染監測、礦藏勘測等領域[40]。大氣環境紅外甚高分辨率探測儀可應用于分析大氣精細成分、大氣物理運動和化學過程、氣候變化，監測環境污染氣體變化等方面[41]。全譜段光譜成像儀可應用于農業、林業、城市、水利、生態環境等領域[42]。

6 高分六號衛星概況、特征及應用

6.1 高分六號衛星概況

高分六號于2018年6月2日發射入軌。該衛星配置了全色多光譜相機與寬幅多光譜相機各1臺，其影像空間分辨率、成像性能、幅寬、影像質量等參數與高分一號衛星搭載相機的性能基本一致，設計壽命為8年[43]。

6.2 高分六號衛星特征與應用

高分六號在性能上兼顧普查與詳查，具有高度機動靈活性。與高分一號不同的是，高分六號搭載的多光譜寬幅相機和多光譜高分相機突破了單投影中心超大視場成像技術，解決了大型圖像需要多張照片拼接處理與多目標成像能力弱等問題[44]。

高分六號增加的“紅邊”波段能夠有效辨別地面作物類型，是我國首顆應用于精準農業服務的高分系列衛星[45]。因此高分六號在農業各相關領域的研究和應用中發揮了非常重要的作用[46-47]。同時，高分六號能有力支撐我國植被資源的調查與防災減災救災等工作，可為鄉村振興、生態文明建設等重大戰略的實施提供遙感信息資源[48-49]。此外，基于高分六號衛星影像高分辨率、寬覆蓋等特征，其與其他衛星的協同遙感監測不僅能夠使災害識別、災害評估、災害救援等防災減災工作更有效率，同時也會為我國生態文明建設及時科學地提供相關信息[50-51]。

7 高分七號衛星概況、特征及應用

7.1 高分七號衛星概況

高分七號于2019年11月3日發射入軌，是我國第一顆民用亞米級光學傳輸型立體測繪衛星[52]。該衛星配備了兩臺0.8 m分辨率的雙線陣立體測圖相機與一臺激光測高儀[53-54]。高分七號能夠為我國乃至全球的地形地貌畫出一幅誤差1 m以內的立體地圖，這使得我國立體測繪技術將邁向世界一流。高分七號的發射成功意味著我國繼北斗衛星組網之后，第二大衛星組網工程宣告成功[55]。

7.2 高分七號衛星特征與應用

“高分七號”生成的高分辨率立體測繪數據可為城鄉高精度測繪、城市規劃等方面提供有力保障[56]。其激光測高數據可反映目標物的長度、寬度、強度等信息，可應用在冰蓋、冰架等的變化監測等方面，對提供全球立體地理信息具有重要意義[57-58]。

8 高分其他衛星

8.1 高分一號02、03、04衛星星座

高分一號02、03、04衛星于2018年3月31日以“一箭三星”方式成功發射。該衛星星座是我國首個民用高分辨率光學業務星座。3顆衛星在性能上提高了低輻亮度條件下的信噪比，降低了噪聲等效反射率差，使得圖像質量相比高分一號得到了一定的提升[59]。

為實現立體成像、指定地區拼接成像等目標高分一號02、03、04衛星星座可根據要求靈活轉換運行模式。此外，該星座組網運行后，全球南北緯80°之間區域的重放周期僅需2 d，大幅度提高了高分衛星對山、水、林等自然資源的調查監測能力[60]。該星座同樣可廣泛應用于農業農村、災害監測與后評估、生態環境保護、土地覆蓋類型變化與地貌類型提取、資源調查、城鄉建設、測繪等領域與行業。

8.2 “高分”八號到十四號

2015年6月—2020年12月，我國相繼發射了“高分”八號到十四號衛星。其中高分八號、高分九號(包含高分九號02、03、04、05星)、高分十一號(包含高分十一號02星)、高分十三號、高分十四號為光學遙感衛星，高分十號、高分十二號為微波遙感衛星[61]。“高分”八號到十四號衛星皆是我國高分辨率對地觀測系統中的衛星，主要應用于國土普查、城市規劃、防災減災等領域，為我國“一帶一路”等重大戰略的實施提供有力信息保障[62-64]。

與其他遙感衛星不同的是，高分十一號衛星采用了我國首顆自主研制的宇航級高速圖像壓縮處理芯片“雅芯-天圖”，數傳分系統具備了開放式海量數據在軌處理及高速傳輸的特征，數傳能力和處理速度達到國內領先、國際先進水平[65]。此外，高分十一號的中繼終端分系統使得高分十一號衛星與中繼星之間將在太空中首次實現高速率的數據雙向傳輸[66]。

8.3 高分多模衛星

運行于太陽同步軌道的高分辨率多模綜合成像衛星于2020年7月3日在太原衛星發射中心發射入軌。該衛星具備快速動敏捷成像能力，可實現動中成像，多目標、多種觀測模式成像[67]。高分多模衛星是我國民用衛星地面分辨率最高的衛星，幅寬達15 km；衛星首次在民用衛星中應用中繼數傳，可實現應急情況下遙感數據的快速回傳；首次試驗高低軌大容量激光數據傳輸的衛星，星間傳輸速率最高可達5 Gbps。首個采用PPP模式的高分多模衛星是我國空間基礎設施重大工程的重要組成部分，該衛星的成功發射運營有益于實現空間基礎設施商業化運營。

9 展望

隨著遙感技術的發展，高分系列衛星將進一步提高空間、時間、光譜等方面的分辨率，進一步提高定位精度等遙感影像質量參數，形成全天候、全天時、全球覆蓋的高效高質量對地觀測能力。未來高分家族的衛星及其他平臺衛星將協同工作，進一步發揮遙感衛星在生態環境、農業、資源、氣候等領域的應用與作用。