1、浅析充分利用国内外卫星遥感资源服务浅析充分利用国内外卫星遥感资源服务于测绘应用及应急保障于测绘应用及应急保障李吉平 摘 要：遥感数据的供求矛盾需要我们的决策部门、技 术支持部门和遥感从业单位充分了解目前国内外各类遥感卫星平台的技术特点和资源分配情况，针对各种长期的常规项目和短期的应急需求，合理协调 ，统筹安排，充分利用有限的对地观测资源获取适当的遥感数据，为各项工作做好全面而及 时的保障。关键词：遥感卫星，基础测绘 ，编队飞行，应急保障前 言自 20008 年以来席卷全球的金融危机似乎并没有影响到航天工业，据有关数据分析：2008 年的航天工业全球总产值依然强劲增长 19%；作为航天应用的重要
2、分支之一：对地观测产业的表现更令人刮目相看；尤其在中国，这个产业虽然目前整体产值并不高，但依然延续了多年来 30%以上的年增长速度。在许多国家重大项目中，遥感技术和空间地理信息正起着关键性的作用，如年度土地利用动态遥感监测项目、第二次全国土地遥感调查项目、西部测图遥感制图项目、年度遥感基础测绘项目、年度林业资源遥感调查项目等等，近年来随着国内经济的增长和科学管理的要求，遥感技术在政府层面得到了广泛和深入的应用，中国也越来越多地获得“遥感应用大国”的称号；在去年至今的一系列突发事件中-如“汶川大地震”灾情监测、奥运帆船赛区浒苔监测、刚刚发生的重庆武隆山体垮塌监测等等-遥感技术及遥感从业者充当了先
3、行军的角色，在最短时间内从太空获取信息，及时提供给相关部门进行科学决策，获得了广泛的社会好评。李吉平，北京东方道迩信息技 术有限 责任公司副总裁。我国的测绘事业，经过几代人的努力，走上了现代化的发展道路，各项工作取得了新的局面，对国家和社会各个层面的服务和保障工作有了空前的提升。无论是测绘自身工作和任务的需要，还是对于各种突发事件的应急保障，到最新提出的“举旗亮剑”测绘要成为中国社会各项事业发展的基础地理信息保障平台等等，都对从太空有计划和快速地获得地球数据、以及相关的各个环节如数据获取接收、处理、快速安全地交付等等提出了更多、更快、更精确的要求。最近二十年来，特别是进入二十一世纪来的这十年，
4、针对遥感技术和数据急迫需求的形势，各国纷纷实施雄心勃勃的“对地观测计划” ，美国，加拿大，欧洲，印度，日本还有我国政府，都在大力推出中长期的遥感卫星发展计划，成系列地发射了多个受市场欢迎的卫星系统，长时间以来社会迅速发展和遥感卫星数据供应短缺的突出矛盾在全局层面上得到了一定程度的缓和。但不可否认的是，虽然卫星平台的数量有了很大的发展，但针对目前应用越来越精细，地面建设变化速度越来越快的现实，遥感数据的供需矛盾在局部地域、局部时间段上显得越来越突出，举例来说：虽然覆盖辽宁省的 3 米以上分辨率的光学遥感图像一年可以提供 2 次或者更多，但我国西部发展速度很快的四川省，即使各类卫星全力以赴地采集数
5、据，多年来也无法实现全省 3 米以上分辨率光学遥感图像的无缝覆盖，这个最主要的原因是四川的气象条件对于光学遥感来说是非常不理想的，而且没有改善的可能。遥感数据的供求矛盾需要我们的决策部门、技术支持部门和遥感从业单位充分了解目前国内外各类遥感卫星平台的技术特点和资源分配情况，针对各种长期的常规项目和短期的应急需求，合理协调，统筹安排，充分利用有限的对地观测资源获取适当的遥感数据，为各项工作做好全面而及时的保障。一、目前国内外各类遥感卫星平台简介遥感卫星平台按照传感器的类型，可大致分为光学卫星和雷达卫星两类。光学卫星是被动式卫星，依靠地物自然辐射成像，获取合格的光学卫星数据主要受气象条件和地面大气
6、污染条件影响，光学卫星数据的后续处理和解译较为容易；雷达卫星是属主动式卫星，依靠卫星发射微波，同时记录地物回波成像，它基本不受气象条件干扰，可以全天时全天候成像，但雷达遥感数据的后续处理和解译目前较为困难。以下列表简单列出了目前商业运行的主要卫星平台的基本情况。表一：目前商业运行的主要光学卫星的基本情况卫星名称 运行日期重访周期国别 分辨率 同轨像对Landsat 7 1999.04 16 天 美国 全色 15 米，彩色30 米无Spot 2 1990.01 5 天 法国 全色 10 米，彩色20 米无Spot 4 1998.03 5 天 法国 全色 10 米，彩色20 米无Spot 5 20
7、02.05 5 天 法国 全色 2.5 米,彩色10 米有福卫 2 号 2004.05 1-6天中国台湾全色 2 米，彩色 8米无RapidEye 2008.08 1 天 德国 彩色 5 米 无Ikonos 1999.09 1-3天美国 全色 0.81 米，彩色3.2 米有Quickbird 2001.10 1-6天美国 全色 0.61 米，彩色2.4 米有Worldview-1 2007.09 2 天 美国 全色 0.47 米 有GeoEye-1 2008.09 1-3天美国 全色 0.41 米，彩色1.64 米有北京 1 号 2005.10 3-5天中国 全色 4 米，彩色 32米无环境小
8、卫星 2008.09 2 天 中国 彩色 30 米 无IRS-P6 2003.10 5 天 印度 彩色 5.8 米 无IRS-P5 2005.05 5 天 印度 全色 2.5 米 有EROS-B 2006.04 2-4天以色列全色 0.7 米 有ALOS 2006.01 2 天 日本 全色 2.5 米，彩色10 米有从光学卫星数据的市场需求上看，高分辨率数据即分辨率优于 1 米的卫星数据需求量很大，应用尺度最高如 GeoEye-1 和 WorldView 可以达到 1 比 2500，但受卫星获取能力的限制，许多需求还没有得到充分满足。中分辨率即 10 米到 2 米分辨率的光学卫星数据，一般应用
9、于国家级的大项目，应用尺度从 1 比 1 万到 1 比 5 万，由于卫星数目有了明显增多，在合理安排的情况下，基本能满足项目需求，可以达到供求平衡的局面；低分辨率即分辨率低于 20 米的遥感数据，由于卫星数目多，采集数据能力强，价格低廉，能够比较充分地满足市场需求。表二：目前商业运行的主要雷达卫星的基本情况卫星名称 运行日期重复周期国别最高分辨率RadarSat-1 1995.11 24 天 加拿大10 米ERS-2 1995.04 35 天 欧洲30 米Envisat 2002.03 35 天 欧洲10 米COSMO-SkyMed 2007.06 4 天 意大利1 米TerraSAR-X 2
10、007.06 11 天 德国1 米RadarSat-2 2007.12 24 天 加拿大3 米由于搭载不同的传感器，以上卫星都具备有各自独到的特点。例如，IRS-P5 是全球第一颗专门用于立体测图的卫星，此外，具备立体成像功能的卫星如 Spot 5 HRS, Ikonos, GeoEye-1, Worldview, EROS-B 等等都可用于不同比例尺的测绘制图工作；有些雷达卫星系统，由于能提供干涉雷达数据，也可用于提取 DEM 和制图任务；如 RapidEye 5 颗卫星星座，由于具备 5 米分辨率和独特的 5 个波段，还有其超强的采集的能力，和很短的重访周期，可以应用于鉴别植被的种类，监测
11、植被的长势和土地利用变化的调查等工作；Ikonos, Quickbird, GeoEye-1 等卫星具备高分辨率的彩色数据，可以用于城市建设和规划等领域；所有的雷达卫星，由于其出色的反应和全天候成像能力，可以用于灾害监测和海洋领域；成像范围大，重访周期很短的低分辨率卫星，如我国的 HJ-1 号和 2 号卫星，能在两天内获取覆盖全国的彩色数据，是小尺度大范围应用如森林和草场的火场监测、干旱监测、环境监测等的最佳选择。市场的需求已经到了非常细化的阶段，各国最新的卫星研制和运行也是按照一定的特点和满足市场一定需求的方式来安排的；旧有的只靠一、二颗卫星就适用所有行业应用的模式已经过去，市场和用户（政府
12、、企业和公众）有了越来越多的选择，卫星数据的提供方一定要仔细分析用户需求，研究新技术、开发新产品，提高服务质量，探索新的服务模式从而促进市场更好地发展。二、利用各类卫星特点服务于测绘应用我国的基础测绘制图工作，范围巨大，任务繁重；西部地形复杂，人烟稀少，1 比 5万地形图的制图工作还没有结束；东部地区变化快，地图特别是大比例尺的地图需要经常更新才能满足经济发展的需要；岛礁和一些特定地区，还需要加快制图的步伐；凡此种种复杂情况，造成了中国基础测绘工作面临世界各国都没有的复杂局面，难度极其巨大。幸运的是，我国测绘主管部门很早就意识到这个问题，在全球范围内率先运用遥感卫星技术即空间制图技术来提高测绘
13、制图的效率。早在 90 年代，国家测绘局就运用 Spot 1-4 号卫星 10 米分辨率的数据来更新全国 1 比 5 万的地形图。在举世闻名的“西部测图”工程中，运用 Spot 5 HRS 5x10 米分辨率长条带的卫星立体像对，对西部 200 多万平方公里的无图区实施稀少控制点的测图工作；在西部困难地区的横断山脉，组织多种卫星数据源如 IRS-P5 2.5 米长条带立体数据和 TerraSAR-X 及 COSMO-SkyMed 等雷达卫星数据进行综合实验，并开展生产实施作业。在一些 1 比 1 万制图需求的困难区域也大量运用如 Ikonos 卫星立体测图的技术优势来进行，取得了很好的成果。在
14、表一列出的光学卫星中，具备立体成像能力的卫星都可应用于测绘制图工作。其中，印度的 IRS-P5 是全球第一颗专门用于立体制图的卫星，它具备的长条带同轨立体像对，一个轨道数据获取长度可达 5 千公里，为大范围稀少控制点立体测图提供了便利，其精度可以满足 1:25,000 比例尺的需求，在山地高山地区域，其高程精度可满足 1：10,000 比例尺的需求；Spot 5 星上搭载的 HRS 立体成像装置，经过西部测图工程的实验，精度满足1：50,000 的需要，该卫星经过 7 年多的运行，积累了大量的存档数据；Ikonos 卫星立体像对数据，由于其稳定的模型和全色多光谱同步的特点特别适用于测绘制图工作
15、，长期以来受到各级测绘部门的青睐，大量应用在 1 比 1 万比例尺的制图工作中；其后续卫星GeoEye-1 号分辨率提高了一倍达到 41 厘米，在无控制点的情况下定位精度在 3 米以内，有控制点情况下可满足 1 比 5000 的制图需要；另外一颗卫星 Worldview-1,虽然只有黑白图像，但分辨率达到 47 厘米，同样提供立体测图方面，精度满足 1：5000 的需要。在表二列出的雷达卫星中，各种卫星系统都可以通过适当的安排来获取立体像对或者形成干涉像对，尽管从雷达图象上分析和提取 DEM 还不象光学卫星立体数据那么容易，但由于全球范围内不适合光学成像的区域十分广大，因此研究雷达技术制图日益
16、成为遥感和摄影测量界很热门的研究课题。在通过干涉雷达测量技术提取高精度 DEM 和制图技术的工作中，获取符合条件的干涉雷达数据是很关键的一步，形成干涉雷达数据需要有非常苛刻的条件，其中数据获取的间隔越短，对于形成干涉条件就越有利。世界各国都在努力发展这样的雷达卫星系统：使得干涉雷达数据的获取不成为主要的矛盾。90 年代的时候，欧空局利用 ERS 1 和 ERS 2 形成 2 颗卫星的串行飞行模式，以很短的时间间隔来获取干涉数据；后来又用 EnviSat 来形成双星串行模式；这几年雷达卫星向着更高分辨率和更多卫星组合的方向发展，为形成干涉雷达数据制图应用提供了更多的选择，其中，最有代表性的是CO
17、SMO-SkyMed 星座和 TerraSAR-X。COSMO-SkyMed 是个 4 颗卫星的计划，目前已经有 3 颗卫星在轨运行。通过卫星运营机构的操作，可以安排两颗卫星在间隔一天内对同一地点实施严格干涉条件下的串行观测，获取干涉数据（如图一） ；在未来一段时间内，还将对卫星星座进行调整，可以获取最短间隔为 20 秒的迄今最短的干涉雷达数据（如图二） ，从而为 1 比 1 万高精度雷达制图提供物质保障，为气象条件困难的地区提供一种新的高效制图技术和方法。图 1 间隔一天的串行模式 图 2 真正的串行模式（间隔 20 秒）综上所述，由于卫星技术特点各有不同，卫星数据获取能力和效率也有差别，在
18、分析各类卫星平台和技术特点的基础上，可合理有效地安排卫星数据的接收，为测绘制图工作提供卫星数据的保障。三、卫星星座编队飞行服务于应急保障在全球各类灾害应急事件越来越频繁的今天，及时掌握灾害事态发展、监测灾害过程对于利用空间遥感技术提出了越来越强烈的需求；进入二十一世纪以来，全球各类遥感数据提供机构和企业都在尝试利用编队飞行的卫星星座来增强数据获取能力和提高应急反应的能力。所谓编队飞行，就是将一系列的同质或者异质的卫星，以一定的时间间隔安排在同一卫星轨道面上飞行，这样可以实施对观测地区的频繁而有规律的观测。还以德国的 5 颗卫星星座 RapidEye 为例，它们于 2008 年 8 月份一次同时
19、发射上天，经过轨道调整，如今这5 颗卫星均匀排在同一轨道面上，如图三所示：图 3 5 颗 RapidEye 卫星等距离排列在同一轨道面上由于一般卫星绕行地球一圈的时间为 90 分钟左右，这样在特定的时间段内，这 5 颗卫星形成的排列理论上可以做到最短间隔 18 分钟实施对同一地点的两次观测，对灾害应急的反应速度空前提高，数据获取的能力也非常出色，在该卫星星座运行 100 天的时间内，已经成功获取了全球 25%的陆地面积的合格数据，超过了 6700 万平方公里；获取华北，东北地区超过 300 万平方公里的无云数据估计只约需 2 个月左右的时间。“编队飞行”规模和影响力最大的是从上世纪 80 年代
20、开始运行的美国“对地观测系统（Earth Observing System，EOS） ”，目前该系统已有二十余颗卫星编队运行。EOS 计划的目的是通过了解地球的各种情况、现象及其相互作用，认识地球系统，并了解地球系统变化的规律。还有比较著名的编队飞行星座是 Spot 1-4 号卫星星座，通过编队飞行，Spot 有计划地获取了全球大量的 10 米分辨率数据，也为各种灾害应急事件提供了数据服务。2007 年 9 月，美国 DigitalGlobe 公司成功发射 WorldView-1 卫星，并使其与该公司另外一颗高分辨率卫星 QuickBird 编队飞行来获取数据。这种方式对数据获取能力运用在20
21、08 年的全国二次土地遥感调查项目中，取得了很好的成绩：两颗卫星在一年时间里便成功拍摄了超过 100 万平方公里的高分辨率数据。2008 年 9 月 6 日，GeoEye 公司成功发射 GeoEye-1 卫星,该卫星可同时获取高达 0.41米分辨率全色和 1.65 米 4 波段多光谱影像，目前这颗卫星于 2009 年初与 IKONOS 卫星编队飞行，短期内将全球范围内亚米级高分辨率彩色影像图的获取能力提高到一个新的高度。2009 年 3 月 30 日 ，我国的环境与灾害监测小卫星 A、B 星进行在轨交付仪式，正式交付给民政部和环境保护部投入使用。环境与灾害监测预报小卫星星座是我国首次提出，利用
22、小卫星星座系统满足环境与灾害监测预报业务的需求，实现大范围、全天候、全天时动态环境与灾害监测，保障国民经济和社会持续稳定发展。该星座由多颗遥感小卫星组成，其首发星 A、B 星于 2008 年 9 月 6 日在太原卫星发射中心发射，9 月 8 日成功获取第一幅图像，10 月 13 日，环境与灾害监测预报小卫星 A、B 卫星星座成功建立。经过五个多月的在轨测试和评价，2009 年 2 月 19 日 通过了在轨测试评审。 A、B 星发射入轨，形成了小卫星星座的雏形，可实现任意地点每两天获取一次分辨率为 30 米的多光谱图像。卫星入轨 7个月来，不仅支持了环保和减灾多个业务系统的日常运行，还进行了森林
23、草原防火监测、全球作物估产的日常业务化运行的尝试，提升了相关部门和行业的遥感应用业务化水平，达到了预期目标。A、B 星在轨测试期间已向亚太空间合作组织成员国提供了部分图像，并为澳大利亚扑灭森林火灾提供了及时的应急服务，反应较好。在光学卫星快速发展的同时，高分辨率合成孔径雷达（SAR）卫星凭借其不受天气影响全天候全天时对地观测、具有穿透力和纹理识别能力、可进行干涉测量和极化测量等特点也渐渐为人们所关注,且为了满足紧急情况下快速重访的需求，高分辨率合成孔径雷达（SAR）卫星也开始采用卫星编队的运行方式。自 2007 年 6 月 8 日意大利成功发射全球第一颗高分辨率 SAR 卫星以来，COSMO-
24、SkyMed星座目前已经有 3 颗卫星在轨。独有的卫星星座使得其卫星重访周期短，能同时提供多种系统响应模式，在紧急模式下北京地区的重访周期仅为 4 小时。在“512 汶川大地震”灾情监测中，该卫星星座于地震发生 30 小时之内分别获取了世界第一幅 1 米和 3 米的高分辨率雷达图像，并在 12 天内获取了受地震影响的全部 84 个县 24 万平方公里的 Himage 模式雷达图像。青岛奥运帆船赛区浒苔应急监测中，海洋部门利用 COSMO-SkyMed 编队飞行的特点，每日早晚获取间隔 48 分钟内的四幅浒苔的动态图象，从而掌握浒苔随洋流移动的方向和速度，变漫无目的的“捕浒苔”为有规律的“捞浒苔
25、” ，指导了打捞工作，节省了大量的人力物力，是科学决策的典范。在 2008 年“512 汶川大地震”中，各类遥感数据提供机构尽最大努力，提供了各种各样的遥感数据，为应急服务提供了最及时的服务；其中，对于卫星平台的编队安排，为合理高效地获取珍贵的数据起到了重要的作用。四、最新发展及未来展望由于卫星资源特别是高分辨率卫星资源的相对短缺，未来几年内各国都把主要精力放在新一代的高分辨率卫星平台的研发上，如美国 DG 公司将要发射 Worldview-2 号，具备高分辨率和高光谱的数据；美国 GeoEye 公司预计在 2012 年发射全球下一代最高分辨率的卫星平台，分辨率可达 25 厘米；法国 CNES
26、 正在研制下一代高分辨率小卫星群，数目达 10 余颗，可对全球图像实现实时更新。我国也有计划发射一系列的高分辨率光学小卫星。在卫星应用市场上，这将是发展最快的部分。在雷达卫星方面，COSMO-SkyMed 第一代的 4 颗卫星将会完全运行，第二代卫星星座也在研制中；TerraSAR-X 的下一颗卫星 TanDEM-X 也会在 2009 年年底发射，它会和TerraSAR-X 构成串行模式，获取全球干涉雷达数据。可以预见，COSMO-SkyMed 和TerraSAR-X 这两个雷达卫星系统将会为全球制图工作提供全新的技术方法和更高的效率。分布式卫星星座重量轻、发射成本低、在部署期间就能很好地提供
27、服务。由于卫星老化、故障、事故或者受到攻击，造成卫星停止工作，不会影响星座整体的性能。分布式卫星星座已成为美国及其他空间大国未来 20 年时间在航天领域重点发展的技术，也是他们中长期规划中的重点之一。它是实现中高分辨率遥感数据更高时间分辨率的最有效方式，是对地观测卫星发展的必然趋势。伴随着该模式的形成与繁荣发展，现在及未来编队运行的中高分辨率遥感卫星将更好地服务于测绘应用和应急保障工作。但在实际应急过程中，需要有统一的协调机制，协调各类卫星平台，协调各家数据提供机构，以便更充分地利用卫星数据资源。空间对地观测技术和产业的发展，在过去十年取得了长足的进步；我们可以预测未来10 年甚至更长的时间内，随着国民经济的发展和科学管理、科学决策需要，随着公众对地理信息的急迫需求，遥感技术的发展将会更加日新月异。遥感数据和技术应用于社会公众服务方面，近年随着 Google 和 Microsoft 等巨头的加入，发展非常迅猛。我国在这方面一定要大力发展自主的卫星平台，提供自主的卫星遥感数据和产品，不仅服务于政府各行业的需要、服务于社会应急需要，也能在社会和公众不断发展变化的需求中，找到和确立自我的位置，持续地为人民大众提供更好的有中国特色的空间地理信息服务。
