商业遥感卫星应用现状及发展趋势探讨

●　文|中国资源卫星应用中心　赫华颖　王海燕　郝雪涛　齐怀川



商业遥感卫星应用现状及发展趋势探讨

●文|中国资源卫星应用中心赫华颖王海燕郝雪涛齐怀川

高分辨率商业遥感卫星影像由于空间分辨率高、识别地物能力强、信息准确等因素，受到各国的重视。2014年10月24日，国务院总理李克强主持召开国务院常务会议，决定要逐步引导民间资本参与国家民用空间设施建设，研制、发射和运营商业遥感卫星。纵观全球，很多国家都已采用商业化方式运营遥感卫星系统，且收益显著。近年来，一大批从事商业微型卫星研发的创新企业先后涌现，拓宽了商业遥感模式和发展方向。本文针对国内外商业遥感卫星的应用现状和发展趋势展开探讨。

一、商业遥感卫星应用现状

商业遥感卫星应用涉及十分广泛的用户类型，应用领域主要包括国防安全、能源、自然资源管理、海事、灾害应急管理、工程与基础设施建设，以及基于位置的服务（LBS）等。不同的用户、不同的行业和应用领域需要不同的遥感服务，表现在空间分辨率、光谱分辨率、重访周期以及数据时效性（存档或新采集的数据）等方面。

1．国防安全

国防应用是商业遥感数据市场的最大用户。近年来，商业数据市场中的百分之七十左右的订单都是为国防用户所占有。在过去十年国防部门对商业数据市场的需求持续增长。

国防对卫星数据的应用特点是重访能力强，能够及时获取（尽可能接近实时）高分辨率、高定位精度的光学及雷达影像，数据直接从接收站接收，保障数据使用安全性和保密性。

2．能源行业

遥感数据在能源行业的应用往往集中在偏远的人类较困难从事工程作业的地区。这些地区通常缺少基础信息（地图、地质图），如北极地区（俄罗斯、加拿大和阿拉斯加）、深水钻井区（墨西哥湾、海鄂霍次克海/白令海）。此外，基础信息采集欠发达的亚非地区也是该行业的主要应用区域。

能源业的数据应用特点是高分辨率、高定位精度的光学及雷达影像，数据时效性要求不高，但数据增值服务是重点。

3．基础设施

基础设施与工程行业的应用涵盖制图学、城市发展、房地产、交通规划以及相关的工程建设项目。随着各个国家在加强基础设施建设的过程中，对地形图或解决方案的需求增加，对地观测技术在该行业的应用也日益突出。这在那些经济高速增长并希望改善基础设施的国家中体现的尤为明显。对地观测数据在整个行业中的应用是多种多样的，但主要还是利用中高分辨率数据对目标进行识别监测。

基础设施工程的数据应用特点是高分辨率（优于0.5m）、高定位精度的光学影像数据时效性要求不高，数字高程模型（DEM）是一个被广泛应用的数据。

4．灾害管理

灾害周期的各个阶段（风险评估、灾害预警、应急响应、灾后重建）都需要遥感卫星数据及服务。灾害发生的前后，需要快速响应获取灾害发生地区的数据，并及时交付用于灾害发展状况持续监测。但是当灾害发生时，数据通常是免费提供的，向政府和救灾国际组织提供公益服务。在重大事件发生后，商业公司免费提供用于支持灾后救援的数据，或者名义上收取一定处理费用。监测受灾区域并对其进行损失评估、后勤工作支持和热点区域识别，是服务的热点。首选解决方案是高分辨率光学数据的迅速交付。然而，例如洪水这种灾害事件和大量云量覆盖联系在一起时，光学数据不能满足所有的需求。在这种情况下，合成孔径雷达（SAR）数据就会扮演重要的角色。

灾害管理的数据应用特点是各类数据的快速持续获取，数据综合整合的增值服务是重点。

图1和图2展示了WorldView-3对2014年美国加州森林火灾所成的图像。通过短波红外波段中的S6、S3以及S1波段对光谱的提取，能够有效过滤森林火灾引起的烟雾，直接观测火灾的实际范围，帮助火场救灾人员准确制定营救和火控方案。

图1　彩色野火烟雾图像

图2　可穿透烟雾的SWIR图像

5．海洋业务

手术治疗GCTB后的局部缺损区域要进行人工材料填充，如人工生物陶瓷、骨水泥等。也会采用氩气刀、骨水泥的局部物理或化学治疗对肿瘤细胞进行杀伤，但其产生的杀伤作用是短暂的［18］；也有学者使用微波原位灭活技术治疗肢体骨巨细胞瘤，较普通刮除术有一定优势［19］，但复发后骨水泥再取出十分困难，对局部复发患者的进一步诊疗增加了手术难度。

在SAR影像上，船只、海冰、油膜与周围海面的纹理明显不同，容易识别，所以SAR数据非常适用于海事方面。在海洋方面，遥感卫星数据主要用来进行船只监测、路线选择（包括路线制图、后勤保障，海冰探测）和非法活动（如污水倾泄、非法闯入、非法交易等）监测及报告。随着数据供应的增加，业务逐渐形成了一种可持续的服务模式，有成熟的客户基础，可以为军事和民用、政府及私人企业提供有价值的服务。这也是SAR数据除了国防以外的第一块市场领域。

海洋业务数据的应用特点是SAR数据，实时与存档数据都有应用。

6．自然资源管理

自然资源管理涉及资源开发、监测、土地利用和海洋资源利用、农业、林业、水资源和水产养殖业。监测地区资源的可持续利用是一个非常重要的因素，特别是那些资源逐渐减少和高污染的地区。遥感数据的应用领域非常广泛，但在许多情况下，低价的中分辨率、甚至免费的数据都能够满足需求。例如，大范围农业制图、地表覆盖制图等。但是，部分应用要求卫星有更快的重访周期和更宽的幅宽。这些具有更快重访周期和更宽幅宽的系统通常更多的用于精准农业应用。

自然资源管理的数据应用特点是中低分辨率、宽覆盖高重访的卫星数据。

7．地理位置服务

基于位置的服务主要集中在光学高分辨率数据，数据及时性要求不高，主要为存档数据。

二、商业遥感卫星发展趋势

1. 高空间分辨率

在技术进步和应用需求的牵引下，卫星地面分辨率不断提高。在光学超高分辨率（优于0.5m）领域，美国数字地球公司具有绝对优势，维持在0.5m的水平，最高达0.31m。在光学高分辨率（0.5~1.0m）领域，美国天体成像公司、法国空客集团和以色列ImageSat公司实力相当，维持在0.7m的水平；我国刚发射的吉林一号的全色波段分辨率为0.72m。在SAR方面，意大利、德国分辨率水平相当，最高空间分辨率均为1m；加拿大其次，最高空间分辨率为3m。

2. 高时间分辨率

单颗或少量卫星的获取能力有限，通过星座组网运行，获得更大的数据获取能力和更高的时间分辨率。在光学超高分辨率（优于0.5m）领域，美国数字地球公司虽然单星时间分辨率并不具备竞争力，但若考虑将其视为一个虚拟星座，时间分辨率可达1天的水平。在光学高分辨率（0.5~1.0m）领域，美国天体成像公司的卫星具有绝对优势，时间分辨率可达0.25天的水平；其次是法国空客公司和中国二十一世纪空间技术应用股份有限公司，Pleiades-1A/1B星座和北京二号星座均可达1天的水平。在光学中分辨率（1~10m）领域，法国空客公司最具优势，SPOT-6/7 和Formosat-2组网，时间分辨率可达0.5天；其次是英国萨里公司，RapidEye星座时间分辨率可达1天。在SAR方面，意大利的4颗Cosmo-SkyMed卫星位于同一轨道面，极大提高了时间分辨率，可达12小时；法国空客集团的TerraSAR-X、TanDEM-X 和即将发射的Paz组网提高了时间分辨率，可达21小时；加拿大MDA公司的Radarsat-2达3天。

3. 强覆盖能力

根据当前的卫星发展水平，单星日观测面积都向100万平方千米发展，如果考虑星座能力，则可达几百万的水平。在光学超高分辨率（<0.5m）领域，美国数字地球公司日观测面积可达300多万平方千米；在光学高分辨率（0.5~1.0m）领域，最具有潜力的是美国天体成像公司，日观测量在1000万平方千米以上，而法国空客集团则可达到200万平方千米；在光学中分辨率（1~10m）领域，法国空客集团水平最高，可达700万平方千米，其次是英国萨里公司，为400万平方千米。在高分辨率SAR数据上，意大利的COSMO-SkyMed星座和法国空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz组网均具有极强的覆盖能力，每日3万平方千米；在中分辨率SAR数据上，意大利的COSMO-SkyMed星座的覆盖能力最强，每日240万平方千米，其次是法国空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz组网，每日90万平方千米。

4.低制造成本

小卫星（质量5~300kg）发射成本低，在满足图像商业应用的前提下，尽可能采用小卫星平台、低成本的望远镜，利用最新的图像处理硬件和算法，以相对较短的卫星寿命换取由更大数量卫星组成的星座，不但降低了卫星的设计、总装和发射成本，还使卫星和图像数量增加，覆盖能力增强，时间分辨率增高。在光学超高分辨率（优于0.5m）领域，目前还未有小卫星。在光学高分辨率（0.5~1.0m）领域，美国天体成像公司的卫星具有绝对优势，目前已有SkySat-1和SkySat-2两颗质量100kg的卫星在轨运行，并计划于2018年前以低廉成本构建由24颗卫星组成的小卫星星座SkySat，实现全球任意目标每天3~4次的访问能力，为用户快速提供实时、高分辨率的海量遥感影像甚至视频；在光学中分辨率（1~10m）领域，英国萨里公司研制的RapidEye1-5质量为150kg，具有高时间分辨率和强覆盖能力，处于领先水平。

综上所述，发展高空间分辨率的卫星是必然选择；发展高时间分辨率、强覆盖能力的卫星星座是发展方向；创新发展低制造成本卫星可增强竞争力。快速形成0.5m分辨率亚米级的卫星星座，具备较强的区域获取能力，并分阶段不断提升，让地面的特征更加精细化；发展0.3m分辨率的高端光学卫星，具备同数字地球公司、航空数据竞争的能力，在国内形成优势地位；战略上发展SAR卫星系统，开拓SAR数据的应用价值；研究高光谱、视频相机等载荷数据的应用前景，跟踪不断发展的数据应用市场，能为多行业领域带来深度的挖掘及分析价值。创新发展小卫星星座，降低制造成本，增强数据获取能力。

三、结论

高分辨率对地观测系统关系到国家安全、经济建设和大众民生，已广泛应用于国防安全、能源行业、基础设施、灾害管理、海洋业务、自然资源管理、地理位置服务等领域。同时，高分辨率对地观测系统又有巨大的商业价值。以美国为首的西方遥感强国，历来对高分辨率对地观测卫星系统商业化运营十分重视，通过利用商业遥感卫星效益，满足了其军事、外交、安全等要求，在国际商业高分辨率遥感数据市场上占据了主导地位。近年来，我国卫星遥感事业已经取得了举世瞩目的成就，但与国际领先水平相比，高分辨率对地观测系统还存在着一定差距。发展高分辨率商业遥感卫星是缩短我国卫星遥感与国际领先水平差距、提高我国科技综合竞争力的必由之路；是实现高分辨率对地观测技术产、学、研结合的有效途径；是我国高分辨率对地观测技术可持续发展的必要条件，既能满足当前快速形成能力的迫切需求，又具备一定的前瞻性，形成长远持续的竞争能力。

建议国家加大资金扶持，加强政策引导；规范产业管理制度，完善国家监管体系；放宽商业图像资源和国外出口卫星的分辨率限制，使我国高分辨率商业遥感卫星事业蓬勃发展。