中国遥感卫星系统灾害监测能力研究

黄宇民 范一大 马骏 侯宇葵 蒙静

（1 国防科学技术大学，长沙 410073）（2 钱学森空间技术实验室，北京 100094）（3 民政部国家减灾中心，北京 100124）（4 中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

中国地域辽阔，气候、地形环境复杂，处于多个地质板块交汇处，是地震、台风、洪水、干旱、冰雪、森林（草原）火灾、泥石流、滑坡、农林病虫害、海洋灾害等多种自然灾害频发地区。中国70%以上的大城市，50%以上的人口，75%以上的工农业产值分布在灾害风险区，是世界上自然灾害最为严重的国家之一。中国自然灾害特点为：灾害种类多、分布地域广、发生频率高、区域性季节性强、造成损失重，自然灾害已经成为影响中国经济发展和社会安全的重要因素。

随着空间技术的不断发展，空间系统在灾害监测、减灾方面的应用越来越受到人们的重视，并展现出了它巨大的应用潜力，并逐渐成为人类对抗各种自然和人为灾害的有效手段，而遥感卫星系统是应用于灾害监测、减灾方面的最主要空间系统［1］。

遥感卫星系统是用于观测地球及其大气层的人造地球卫星系统的总称，中国目前虽已有气象卫星系列、海洋卫星系列、资源卫星系列、环境减灾卫星系列等遥感卫星系统，但受目前的技术基础限制，这些系统还只能获得中等或较高分辨率的对地观测数据，有效载荷种类也存在缺项，尚未形成完整的遥感卫星系统体系，造成系统能力配置的不足；同时，由于中国的对地遥感卫星系统建设采用部门所有制，这些已有的遥感卫星系统在能力配置、载荷搭配等方面，在国家层面的统筹规划和能力配置不足，造成在某些方面存在能力配置的缺失，而在某些方面还存在能力配置的优化问题［2-5］。

本文针对中国面临的主要九类自然灾害的空间监测需求，绘出这九类自然灾害在时间分辨率轴和空间分辨率轴上的二维分布图；同时，以这两个维度为基准，在图上定位我国已在轨运行的遥感卫星，绘制其能力包线；研究分析对这些自然灾害的监测能力；依据灾害监测的要求，分析配置中国未来发展的遥感卫星系统对这些自然灾害的监测能力包线，并据此提出了相应的系统发展建议。

2 需求分析

由于灾害与环境的多样性与复杂性，不同的灾害和环境监测与预报的对象对卫星遥感能力的需求不尽相同，但总的来说对时间分辨率、光谱谱段、空间分辨率和全天候、全天时观测的能力都有较高要求，结合上述需求，中国的主要灾害种类空间监测的时间分辨率和空间分辨率的需求分布如图1所示［6-8］。

图1中，深色的部分表示灾害事件正在发生时的空间遥感的需求；浅色部分表示灾害发生后续影响的空间遥感的需求（注：本文中只考虑可见光（含红外）的空间遥感，未考虑SAR 的情况）。

从图1中可以看出，在中国主要灾害的空间遥感监测需求中，对台风、冰雪灾害、干旱、森林／草原火灾、洪水和病虫害及其后续影响都基本属于中低分辨率的空间遥感监测需求，而山洪、地震和地质灾害等属于高分辨率空间遥感监测需求；山洪、地震和地质灾害的发生时的遥感监测同时需要高空间分辨率、高时间分辨率，而其灾后的影响，需要高空间分辨率和中低时间分辨率的遥感监测需求。

图1 主要种类灾害对空间遥感的需求分布Fig.1 Requirements for the space remote sensor of disaster monitoring

3 中国遥感卫星系统的发展现状

从20世纪80年代开始，中国一直将空间遥感技术的发展与应用列为国家科技攻关重大项目，已经初步建成了气象、资源、海洋和环境减灾等系列卫星，初步具备了一定的空间灾害监测能力。其中，气象卫星建成了高（地球静止轨道）、低（太阳同步轨道）搭配运行的完整体系，相关卫星列入了世界气象组织“全球气象卫星观测网”，成为值班系统的组成部分；高分一号卫星正式成为“空间与重大灾害国际宪章”的中方宪章值班卫星；为国际空间灾害监测作出了重要贡献。

3.1 发展概况

目前，我国正在接收数据的业务遥感卫星有4类9颗，试验卫星有2类4颗，如表1所示［9-11］。因高分2号卫星于2014年8月19日发射，目前仅知其空间分辨率优于1m，幅宽为45km，没有其它的公开轨道参数，故本文研究未涉及高分2号卫星。

表1 中国的遥感卫星系列Table 1 Actuality of the Chinese remote satellite system

3.2 主要卫星系统性能

中国正在接收数据的遥感卫星主要性能如表2所示［12-13］。

表2 中国遥感卫星系统的主要性能Table 2 Capability of Chinese remote satellite system

3.3 中国遥感卫星系统空间灾害监测能力分析

依据表2，以时间分辨率和空间分辨率这两个维度为基准，在图1的相应的位置上分别填上这些正在工作卫星，用几条曲线分别拟合连接起来（实线和虚线），如图2所示，即绘出我国遥感卫星系统对自然灾害的监测能力包线。

图2中，定义曲线的右侧（曲线的方向为逆时针方向）为系统能力满足区，我国目前的遥感卫星系统可以满足此区域内的空间灾害监测的需求。曲线的左侧为能力不满足区域，说明我国目前的遥感卫星系统尚不能满足此区域中空间灾害监测的需求。

依照时间顺序，在图2中分别用实线、虚线、点虚线，拟合出了中国遥感卫星系统的空间灾害监测能力的三个发展阶段。

实线是资源1号02B 卫星发射后（2007年，资源1号02C卫星是接替02B 卫星的），我国的卫星遥感系统能力包线示意，自此，我国的卫星遥感系统具备了满足对雪灾、干旱、台风（热带气旋）、森林／草原火灾的部分空间灾害监视的应用需求。

虚线是随着我国的“环境减灾”卫星的发射入轨后（2008年）的国家空间灾害监测能力包线示意，可见我国的国家空间灾害监测能力在中分辨率应用能力上有了很大的提高。

点虚线是高分1号卫星发射入轨后（2013年）的国家空间灾害监测能力包线示意，高分1号为我国第一颗高分辨率遥感卫星。

图2 中国遥感卫星系统空间灾害监测能力包线Fig.2 Enveloping curve of ability of CRSS for disaster monitoring

4 未来发展设想

依据图1和表2，在图2中提出了我国遥感卫星系统基于空间分辨率和时间分辨率的对主要自然灾害的监测能力包线的概念，用以整体表征我国遥感卫星系统对主要自然灾害的监测能力。未来的能力发展设想，就是基于这个概念，以全面满足对主要自然灾害监测的能力包线为基础，提出我国遥感卫星系统的能力配置。由于这一能力配置要求超出了我国目前可以预见的技术、经济能力，因此，又提出了基于体系能力分配的发展设想。

4.1 目前的能力分析

由图2中可以看出，目前我国的国家空间灾害监测能力存在着很大的能力缺项，不完全具备对地震、地质灾害、山洪、洪涝灾害的空间灾害监测能力，这方面是未来我国国家空间灾害监测能力建设的重点。

目前，我国的遥感卫星系统的载荷主要为光学（含红外等）载荷，从我国国家空间灾害监测能力全天时、全天候的工作要求来看，目前的全天候的工作能力严重不足。因此，发展SAR 空间灾害监测能力也是未来我国国家空间灾害监测能力建设的重点之一。

因此，未来我国国家空间灾害监测能力建设一方面要提高遥感卫星系统的时间分辨率，另一方面也要提高空间分辨率；此外，还需要发展SAR 空间灾害监测能力。

4.2 遥感卫星系统的特性

在目前的遥感卫星系统中，GEO／MEO（地球静止轨道／中轨道）系统因其卫星轨道较高，观测范围大，时间分辨率相对较高，但空间分辨率相对较低；LEO（低轨道）卫星系统的轨道较低，空间分辨率较高，但因其轨道较低，时间分辨率较低。简单地提高卫星系统轨道高度，可以提高卫星观测范围，提高时间分辨率，但降低了卫星的空间分辨率，使高分辨率的卫星遥感无法实现；而简单地降低卫星系统轨道高度，可以提高卫星的空间分辨率，缩小了卫星的观测范围，降低了时间分辨率。

解决这一矛盾的技术途径主要有：

（1）发展多星座组网的、高分辨率的低轨遥感卫星星座系统，实现高时间分辨率的时间覆盖；

（2）突破中高轨米级分辨率遥感技术，发展中高轨道的米级分辨率的遥感卫星系统，实现高时间分辨率的区域监视；

（3）发展各个轨道的SAR 遥感卫星系统，实现全天候的工作要求。

4.3 未来能力配置设想

图3的能力包线示意图展示了满足对这九类重大自然灾害的全天时、全天候的空间监测能力的配置。理论上，理想的我国遥感卫星系统对九大自然灾害的监测能力包线应该由图3中的红实线所示，即：中高轨道卫星配置应达到米级，具备实时连续或准连续的监测能力；中低轨道卫星配置应达到优于0.4m，时间分辨率达到小时级以上。因此，发展优于0.5m的高分辨率来满足对主要灾害的空间监测需求，是我国遥感卫星系统未来发展的一项紧迫任务。

图3 未来中国遥感卫星系统对自然灾害的监测能力配置Fig.3 Designing of disaster monitoring ability for future CRSS

从图3中可以看出，如果我国完全依赖遥感卫星系统满足对九大主要灾害的空间监测需求，以我国目前的技术、经济水平，在可见的未来10～15年内（除非出现一个全新的、“颠覆性”的（指全新成像机理）遥感技术），我国的中高轨道遥感卫星不可能达到米级空间分辨率。同时，低轨卫星要达到小时级以上的时间分辨率需要数十颗卫星才能实现。因此，依据实线的配置要求，我国的遥感卫星系统在系统规模、技术水平上必须实现极大的提高，这是我国目前的经济、科技水平所不能承受的。

较为合理的方法是，针对这些需求用相对经济、合理的系统和手段分别予以满足。如：台风、冰雪灾害、干旱、森林／草原火灾、洪水和病虫害及其后续影响等空间范围大、持续时间长的中低分辨率的空间监测需求，可以通过我国遥感卫星系统的能力发展予以满足；而山洪、地震和地质灾害等空间范围相对较小、发生时间过程短的高空间分辨率和高时间分辨率的空间监测需求，则可以通过空基、近空间飞行器结合遥感卫星系统予以满足。

综上所述，在可见的未来10～15年内，中国未来的对地观测系统的空间灾害监测能力应采用图3中的红虚线所示配置。

依据图3中的红虚线的能力配置，我们提出其中的一种系统配置建议：

（1）LEO 卫星配置优于0.5m 空间分辨率、1d时间分辨率的卫星星座系统；

（2）GEO 卫星配置20m 空间分辨率、10min时间分辨率的系统，以实现对区域目标的持续监视；

（3）MEO 卫星配置优于10m 空间分辨率、6h时间分辨率的星座系统，以实现对区域目标的接力持续监视；

（4）在MEO、LEO 配置相对应要求的宽幅SAR 卫星星座，以满足全天时、全天候的工作要求。

5 结论

我国的空间灾害监测系统是一个综合空间遥感体系，必须由一个高（GEO）、中（MEO）、低（LEO）轨配置、能力综合分布的、满足对我国主要灾害空间遥感观测要求的对地观测卫星体系和空基／近空间遥感系统组成一体化、综合系统，各个系统任务合理分工，协同工作。我国必须发展高分辨率空间遥感技术，其中，未来的十年内，在GEO 系统中必须发展优于20m 的空间分辨率的遥感技术；而LEO 系统必须发展优于0.5m 的空间分辨率的遥感技术，才能满足对我国主要灾害的空间遥感观测要求。我国空间灾害监测系统必须具有足够规模，以保证时间分辨率要求；其中，GEO 卫星系统未来发展具有凝视功能的遥感技术；LEO 卫星系统必须是多星星座组网工作模式，系统时间分辨率小于天的量级。中轨空间遥感系统是我国未来对地观测卫星体系中的重要组成部分，它在空间分辨率和时间分辨率上有其独特的优势，因此，必须开发MEO、10 m 以下空间分辨率的遥感技术，且采用多星星座组网工作模式，系统时间分辨率小于6h量级，可以极大提高我国空间遥感系统对灾害的应急响应能力。SAR 卫星系统必不可少，如要达到全天时、全天候的对我国主要灾害的空间遥感观测要求，必须开发MEO、LEO 的宽幅SAR 成像遥感卫星星座系统。

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