专业科普：【中国航天日】航天遥感

 

       “中国航天日”缘起“东方红一号”。“东方红一号”发射成功以来，一代代航天人自强不息、接续奋斗，走出一条中国特色自主创新的航天发展道路，建立了航天科研生产体系和系统工程管理体制，造就了一支素质高技术精的人才队伍，积淀了深厚博大的航天精神和文化，为推动科技进步、服务经济社会发展、增进人类福祉作出了贡献。

       2020年4月24日是第五个“中国航天日”。今年航天日以“弘扬航天精神 拥抱星辰大海”为主题，就是希望铭记历史、传承精神，让更多公众了解航天、应用航天；激发公众尤其是青少年崇尚科学、探索未知、敢于创新的热情；勉励航天人矢志目标、不畏风险、不惧挑战，在接续奋斗中加快建设航天强国；号召全社会凝心聚力，爱国奉献追梦，打赢疫情防控人民战争、实现决胜全面建成小康社会目标任务。

       遥感技术与航空航天息息相关。在中国航天事业的强劲支撑下，中国的航天遥感进展迅猛，在轨遥感卫星数量、种类、性能和数据获取能力、产品质量等都在赶超国际先进水平。

 

引言

       航天遥感是指在地球大气层以外的宇宙空间，以人造卫星、宇宙飞船、航天飞机、火箭等航天器为平台的遥感。利用遥感手段获取的数据包括成像数据和非成像数据，通常使用的是成像数据，又常称为遥感影像，具有空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率、温度分辨率、几何定位精度、辐射精度、色品、色相、纹理等特性。遥感数据和对遥感数据进行分类识别、参数反演、特征提取、分布界定、变化监测、关联挖掘、仿真模拟、推演分析等加工处理而形成的各种信息则一般称为空间信息。

 

一、中国航天遥感卫星系统

 

       我国的航天遥感在国家航天事业的强大支持下，2000 年以来迅猛发展，已形成了气象、海洋和陆地全系列遥感卫星体系。

 

1.国家投资的遥感卫星

 

（1）气象遥感卫星

       我国的气象遥感卫星即“风云”系列卫星。其中，“风云一号”和“风云三号”（FY-1/3）系列气象卫星为极轨气象卫星，目前有 4 颗在轨运行；“风云二号”（FY-2）系列气象卫星为静止轨道气象卫星，目前有 5 颗在轨运行[3]。“风云”卫星数据为监测台风登陆、水旱灾害、寒潮积雪、全球臭氧和海冰变化趋势、森林火灾、沙尘暴、雾霾等提供重要支撑，在防灾减灾、应对气候变化、空间环境监测预报等方面得到广泛应用。

 

2017年中国—东盟博览会气象装备和服务展展出风云系列气象卫星模型

来源：中国气象报社

 

       2016 年 12 月 11 日我国成功发射了第一颗“风云四号”（FY-4）卫星，这是第二代静止气象卫星，首次实现在地球同步轨道采用三轴稳定方式保持卫星姿态；载有十通道二维扫描成像仪、干涉型大气垂直探测器、闪电成像仪、CCD 相机和地球辐射收支仪等载荷，大幅提高了大气观测时间分辨率、区域机动探测能力和中小尺度天气系统监测能力；并发展了大气垂直探测、闪电探测、极紫外和 X 射线太阳观测等能力，可对大气三维遥感、强对流天气监测与跟踪、空间天气监测预警等提供有力支撑。

 

（2）海洋遥感卫星

       我国的海洋遥感卫星即“海洋”系列卫星。其中，“海洋一号”（HY-1A/1B）系列卫星为海洋水色探测卫星，目前有 1 颗在轨运行；“海洋二号”（HY-2）系列卫星为海洋动力探测卫星，目前有 1 颗在轨运行。海洋卫星数据在国家海洋权益维护、海洋专属经济区综合管理、海洋环境监测与预报、海洋资源调查与开发（含海岸带）、海洋污染监测与防治、海洋灾害监测（包括台风、溢油、赤潮等）、海洋科学研究等领域广泛应用。

 

中法海洋卫星在轨示意图（图片来源：航天东方红卫星有限公司）

 

       2015 年 6 月，中国国家航天局组织启动了“海洋二号 B”（HY-2B）星研制工作，将确保连续、稳定地探测海洋动力环境，并具备中尺度海洋现象监测能力，进一步提升应用效能。同时，中国国家航天局与法国航天局正联合研发中法海洋卫星（CFOSAT），预计于 2018 年发射，将在国际上首次开展海洋风浪相互作用的联合观测，并在海洋预报、灾害监测预报、海洋科学研究等方面发挥重要作用。我国也将于“十三五”末发射全球水循环观测卫星，以加强对全球变化背景下水循环系统的观测和认识。

 

（3）陆地遥感卫星 

       我国国家投资的陆地遥感卫星包括“中巴”（CBERS）、“资源”（ZY）、“环境减灾”（HJ）、“实践”（SJ）、“高分”（GF）等系列卫星，在轨运行卫星数量超过 15 颗。

 

“高分七号”卫星

 

       中巴、环境减灾等系列卫星为中分辨率对地观测卫星。我国 2014 年 12 月 7 日成功发射了“中巴地球资源卫星”04 星（CBERS-04），载有 5m 全色/10m 多光谱相机、20m 多光谱相机和红外多光谱相机。

       我国从 2013 年起发射了“高分一号”01/02/03/04、“高分二号”、“高分三号”、“高分四号”、“高分五号”、“高分六号”和“资源三号”02 星等高分辨率对地观测卫星。

       其中，高分一号 01 星收集到的数据广泛应用于土地利用动态监测、矿产资源调查、环境监测与调查、农作物动态监测、减灾防灾等方面。

       “高分二号”卫星收集到的数据为地质解译、地质灾害调查、矿山开发监测、生态地质环境调查、土地利用监测与变更调查，风景名胜区管理、城乡建设管理，路网规划与灾害应急、航道环境监测、道路基础设施监测，森林资源、湿地、荒漠化、林业生态工程及森林灾害监测等提供强大支撑。

       “高分三号”卫星收集到的数据为海洋权益维护、灾害风险预警预报、水资源评价与管理、灾害天气和气候变化预测预报、环境监测等应用提供强大支持。

       “高分四号”卫星收集到的数据满足水体、堰塞湖、云系、林地、森林火点、气溶胶厚度等识别与变化信息提取需求，为减灾、气象、地震、林业、环保等提供有力支撑。

       “高分五号”卫星可对大气气溶胶、二氧化硫、二氧化氮、二氧化碳、甲烷、水华、水质、核电厂温排水、陆地植被、秸秆焚烧、城市热岛等环境要素进行监测。

       “高分七号”卫星于19年11月升空。是高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）的重要组成部分，也是目前高分专项系列卫星中测图精度要求最高的科研型卫星。

       “高分一号”卫星和“高分六号”卫星组网，大幅提高山、水、林、田、湖、草等自然资源全要素、全覆盖调查监测能力，实时掌控自然资源数量、质量、生态动态变化，为国家自然资源资产管理和自然生态监管提供精准信息保障，并可用于防灾减灾、交通运输、应急管理等领域。

 

2.商业投资的遥感卫星

 

       在国务院《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》（国发〔2014〕60 号）引导下，“十二五”以来我国商业投资的遥感卫星迅猛发展，在轨卫星数量超过 25 颗。其中有“北京一号”卫星和“北京二号”卫星星座（英国制造）、“吉林一号”卫星星座、高景一号”、“珠海一号”、“珞珈一号”、“冰路卫星”等广泛用于科研、测绘等各领域与行业的卫星。

 

冰路卫星

 

冰路卫星拍摄图

 

二、国际航天遥感发展

 

1.国际商业遥感小卫星系统

 

       Planet Labs 公司成立于 2010 年，2014 年发射了 69 颗 Dove 卫星，2015-2016 年发射了 76 颗 Dove 卫星，2017 年发射了 88 颗 Dove 卫星（3U 立方体卫星），形成了是全球最大规模的遥感卫星星座；可为用户提供 3~5m 分辨率大范围快速更新的商用遥感卫星数据，并可直接获取经过校正的正射影像。

       Spire Global 成立于 2012 年，主营气象业务，计划发射 125 颗立方体卫星，利用 GPS Radio Occultation 技术来收集气象数据资料，现已发射 29 颗（2017 年发射了 8 颗）。

       BlackSky 公司由 Spaceflight 公司 2014 年成立，拟到 2019 年打造由 60 颗卫星组成的星座，已于 2016 年 9 月发射了首颗卫星，计划 2017 年底前发射 6 颗；最终形成对覆盖超过 95%的地球人口密集区近实时的 1m 高空间分辨率对地观测能力。

 

2.国际商业遥感大卫星系统

 

       21 世纪初，美国 Orbiting Image 公司和 Space Imaging 合并组建了 GeoEye 公司，统筹运营 OrbView 和 Ikonos 系列商业遥感卫星，并发展了 GeoEye 系列商业遥感卫星。2010 年，美国 Digital Globe 公司与GeoEye 公司合并，统筹运营 WorldView 和 GeoEye 两大系列高性能商业遥感卫星，并于 2014 年 8 月 13 日、2016 年 11 月 12 日分别发射了 WorldView-3 和 WorldView-4，获取数据的空间分辨率达到 0.3m，并能提供 8 谱段多光谱数据和 8 谱段短波红外数据。2017 年 10 月 5 日，加拿大卫星通信信息公司 MDA （MacDonald Dettwiler & Associates）以 24 亿美元收购 Digital Globe 公司，组建 Maxar Technologies 公司。

 

NASA对地观测卫星（来源：测绘学报）

 

       Maxar Technologies 由四个领先的商业空间技术品牌 SSL、MDA、Digital Globe 和 Radiant Solutions 组成，能提供先进的卫星和空间系统、高分辨率地球影像和地理空间解决方案，将在北美乃至全球市场占据难以撼动的霸主地位。

 

3.商业遥感数据服务

 

       在商业模式方面（尤其是国际商业模式），目前还是以数据销售为主，采购用户主要是政府部门。如美国 Digital Globe 公司 2016 年约 8.65 亿美元，66%的收入都来源于美国政府（这其中有大部分来自美国空间情报局等安全机构）。在此基础上，相关国际企业也在努力打破这种对遥感数据较低层级的消费格局。如 Orbital Insight、Spire Global、PlanetiQ、Windward、ImageSat International 等公司。

 

       美国的 Orbital Insight 公司的业务就是对购买的遥感数据进行必要处理和分析，通过提供增值信息服务来盈利。目前有超过 70 家对冲基金和政府机构依靠该公司提供信息来辅助决策，如作物长势和农业估产信息、地表储油设施容积信息、停车场停车信息、每周世界各地的地表水量信息、主要地区建筑施工信息等。

       2017 年 4 月 26 日，美国从事遥感数据分析的 EagleView 公司宣布收购 OmniEarth 公司，以便利用后者的技术分析图像数据（包括航空图像），发展侧重建筑市场的卫星图像分析等业务。OmniEarth 公司主席兼首席执行官 Lars Dyrud 表示：全球数据市场预计将达到 9 万亿美元，卫星图像将是这个市场中占据重要角色，但是目前仍不是普通商品。

 

       美国的 Spire Global 公司基于其发射的大气信息探测卫星，更准确地测量温度、压力和湿度等大气变化参数，积极开展天气资讯服务。现已能够每天产出 100 000 个天气模型，通过更准确地预测天气为农业、能源等企业节约数十亿美元经费。

 

       美国的 PlanetiQ 是气象卫星数据商业服务公司，研发了 Pyxis 传感器，可结合 GPS 信号对全球范围内的气温、气压和湿度进行测量；拟在 2018 年前部署 12 颗近地轨道气象卫星、每天探测全球 800 万处气象信息，2020 年前扩展到 18 颗、每天探测全球 1 200 万处气象信息。综合这些卫星可获得的全球气象卫星数据，经处理和分析，确保在 3 分钟内为用户提供天气、气候、空间天气增值信息服务。

       2017 年上半年，为提高向非洲等国家的相关援助效率，美国比尔·梅琳达·盖茨基金与美国橡树岭国家实验室、英国南安普顿大学等单位一起，制作了尼日利亚北部各州的高分辨率对地观测地图和全尼日利亚人口地图，以便更好地管理公共卫生、基础设施、自然资源，以及改善应对突发事件的策略。据该基金分析，此类基础性工作可为未来几年向尼日利亚运送疫苗的慈善工作节省约 10 亿美元。

 

       以色列的 Windward 是海上数据及分析服务提供商，通过利用卫星追踪船舶交通状况，为金融及交易市场提供分析，为海上走私或非法捕捞等提供起诉依据。

 

       欧洲的 ImageSat International 公司是端对端地理信息解决方案提供商，可提供包括卫星星座、地面站网、数据服务、制图与 GIS 服务、战场态势感知，农林，情报分析等应用服务。