高分三号卫星水利应用及示范应用系统设计开发

● 文 | .水利部信息中心 .中国水利水电科学研究院 陈德清 马建威 崔倩

一、引言

高分三号（GF-3）卫星在2016年8月10日成功发射，是我国首颗分辨率达到1m的C频段多极化合成孔径雷达（SAR）成像卫星，具备聚束、全极化条带、波成像等12种成像模式。在不同成像模式下，其空间分辨率从1 m到500 m，幅宽则从10 km到650 km。经过5个多月的在轨运行测试后，GF-3卫星于2017年1月23日正式投入使用，目前已经应用到各行各业中。

当前，我国洪涝、干旱灾害和水资源短缺等水问题突出，地面监测系统目前还不能实现全面覆盖。GF-3卫星具有全天候/全天时对地观测能力，可以不分昼夜、阴雨天气进行对地观测。针对洪涝干旱灾害监测、水资源管理等水利应用需求，开展基于可以常态化接收的国产GF-3雷达数据，实现水体等专题信息的自动化提取研究，可以有效补充地面监测能力的不足，提升我国水利监测能力。

作为GF-3卫星主用户之一，水利部信息中心联合中国水利水电科学研究院，开展GF-3卫星在地表水体监测、洪涝监测、干旱灾害监测、水利工程监测等方面的技术攻关及应用研究，包括理论方法及技术流程。在此基础上，进一步构建了GF-3卫星水利示范应用系统，并在示范区对提出的算法和技术流程进行了检验。

二、高分三号卫星水利应用

1．地表水体及水源地监测

利用GF-3卫星数据提取地表水体范围，首先，对SAR影像进行预处理，开展水体后向散射特征分析研究，优选水体提取的最佳入射角、波段和极化方式；在此基础上，针对不同极化模式的GF-3 SAR图像，进一步进行水体提取的模型方法分析研究；最后根据提出的模型方法，提取水体范围信息。基于GF-3数据的地表水源地水体监测技术流程，利用2016年10月9日精细条带模式1的GF-3影像，精确提取河北省岗南水库水体范围，如图1所示。

2．洪涝监测

洪涝灾害遥感监测主要利用高分卫星影像，基于数字图像处理、遥感专题信息提取等技术，实现对洪涝灾害淹没范围监测，并在基础地理信息以及社会经济数据的支持下，开展洪涝灾害快速评估。具体方法为：首先，应用GF-1或GF-2卫星数据提取常规条件下的背景水体；然后，利用GF-3数据提取洪涝发生时水体范围，通过叠加运算提取洪涝淹没范围；最后通过开展多期监测，获取淹没历时，结合土地利用、社会经济等基础背景数据，开展灾害损失评估。基于洪涝灾害遥感监测技术流程，利用2017年7月14日标准模式的GF-3影像，对吉林市市辖区和永吉县进行洪涝监测，监测结果显示洪水淹没区主要集中在吉林市境内的温德河和鳌龙河附近，如图2所示。

图2 高分三号卫星洪涝监测样例（吉林市市辖区和永吉县）

3．旱情监测

通过两种方法来进行旱情监测，第一种方法监测土壤含水量，依据旱情等级划分标准，获取监测区域的旱情等级。第二种为提取监测区域的水体范围，通过水面面积变化来获取监测区域的旱情信息。

（1）土壤含水量监测

利用GF-3卫星数据对地表穿透性和地表的后向散射特征获取地表土壤含水量，并利用高光谱数据去除植被冠层水分的影响。

基于GF-3数据的土壤含水量监测的技术流程，利用2017年2月5日全极化条带模式1的GF-3影像，反演得到安徽省固始县的土壤含水量分布图，如图3所示。

图3 高分三号土壤含水量监测样例（安徽省固始县）

（2）基于水体面积变化

基于GF-3卫星对水体提取的能力，与可见光遥感一起用于定期提取监测区域的水体。监测区地表水体面积的变化是评价区域旱情的一项重要指标。其中水体提取的技术流程与地表水体监测一致。基于GF-3数据的水面面积变化提取技术流程，利用2016年12月14日精细条带模式2的GF-3影像，提取鄱阳湖水体范围。利用多期多源影像数据，得到1996年到2016年鄱阳湖水体面积变化，如图4所示。可以看到，夏季水体面积最大，1996—2016年，鄱阳湖水体面积整体变化不大。

图4 高分三号水体面积变化监测样例（鄱阳湖）

4.水利工程监测

通常情况下，光学卫星监测水体工程更具有优势，GF-3卫星对于水利工程监测重点是在天气恶劣条件下对水利工程运行状态的监测，以及决口、垮坝、漫溢等险情的监测。基于GF-3数据的水利工程监测的技术流程，利用2016年11月14日精细条带模式2的GF-3影像，对湖北省赤壁市陆水水库大坝及附近垸堤进行监测，如图5所示。

三、应用系统建设与业务化运行

GF-3卫星水利应用示范基于高分水利遥感应用示范系统开展，针对水利应用迫切需求，突破地表水体快速提取、洪涝灾害监测、旱情监测、水利工程监测等关键技术。

系统通过搭建软、硬件支撑平台，建设为各业务应用分系统提供数据管理、运行管理、并行计算与协同作业以及数据产品的分发服务的平台支撑分系统，以及完成各类专题产品生产系统。

1．应用系统组成

GF-3卫星水利应用示范系统的逻辑组成如图6所示，包括4个高分水利专题应用分系统和4个高分水利遥感应用示范平台支撑类分系统。

图5 基于高分三号的水利工程监测样例（湖北省赤壁市陆水水库大坝）

专题应用子系统包括水资源监测评价和管理分系统、水旱灾害监测分系统、水利工程监测和评价分系统、水利基础空间数据库分系统，用于生产水利专题应用产品。

平台支撑类子系统包括水利高分数据管理分系统、水利高分业务运行管理分系统、水利高分数据处理分系统和水利高分产品服务与分发分系统，用于实现数据和产品管理、运行管理、数据处理以及数据产品的共享与服务。

图6 高分三号卫星水利应用示范系统组成

2．系统架构

GF-3卫星水利应用示范系统体系架构如图7所示。系统与中国资源卫星应用中心和应用技术中心连接，进行数据文件和共性技术软件模块交换。系统内部以水利业务网为运行管理环境，集成水资源监测评价和管理分系统、水旱灾害监测分系统、水利工程监测和评价分系统、基础空间数据库建设与更新分系统，支撑GF-3卫星数据的水利示范应用。通过高分水利遥感应用示范的开展，实现系统的业务化运行和水利应用专题产品的自动化生产和共享服务。通过示范区开展应用示范，逐步实现GF-3卫星数据在水利遥感监测领域的广泛应用。

图7 高分三号卫星水利应用示范系统构架

3．系统接口

GF-3卫星应用示范系统的外部接口包括数据接入节点和水利业务系统两个方向。数据接入节点对象包含中国资源卫星应用中心和其他卫星数据提供单位。系统中水利高分数据产品存储管理子系统的GF-3数据接入模块可以向数据接入节点提交GF-3遥感卫星的数据申请，同时对数据接入节点推送来的GF-3数据进行接收、质量检查和归档入库。水利业务系统包括防汛抗旱指挥系统、国家水资源监控能力建设系统等业务系统。高分水利遥感应用示范系统与水利业务系统存在数据、服务等的共享。

GF-3卫星应用示范系统内部接口包括以水利高分业务运行管理子系统为中心的指令流流转接口和以水利高分数据产品存储管理子系统为中心的数据流流转接口。

4．系统流程

围绕将GF-3卫星数据应用于水利主体业务需求，GF-3卫星水利应用示范系统的常规业务流程可划分为六个阶段，分别为任务创建、数据获取、标准化处理、专题应用产品生产、任务跟踪和反馈以及产品发布阶段（如图8）。

业务部门接到任务后，通过业务运行管理分系统进行任务及子任务的创建。

图8 高分三号卫星水利应用示范系统业务流程

水利高分数据管理分系统接收任务单。根据任务单进行GF-3数据提取或申请，对数据进行质量检查，检查合格的GF-3数据由水利高分数据管理分系统完成归档。任务单完成后将任务单完成情况反馈至水利高分业务运行管理分系统。

数据处理分系统接收任务单。对待处理的GF-3数据进行标准化处理、归档。并将任务单完成情况反馈至水利高分业务运行管理分系统。

水利高分业务运行管理分系统以任务单的方式通知其他水利业务应用分系统。业务应用分系统接收任务单，对待处理的GF-3标准数据进行业务应用处理，将处理后的水利专题产品归档。完成任务单后将结果信息返回水利高分业务运行管理分系统。

水利高分业务运行管理分系统监控跟踪任务的执行状态，判断任务的完成情况；当任务完成时，将任务完成信息反馈至业务运行管理分系统。

通过水利高分产品服务与分发分系统实现GF-3各级产品的推送与分发。

5．数据流程

GF-3卫星水利应用示范系统数据从高分数据中心获取1-2级标准数据后，按后续处理需要，生成水利1-3级数据产品。标准数据与水利数据产品作为专题应用分系统的输入源，由专题应用分系统进行生产4级水利专题应用产品，由数据分发系统进行分发，其间每一级产品都将数据归档到磁盘阵列。

6．GF-3水利示范应用系统主要技术指标

水利应用示范系统的主要技术指标如下：

1） 实现基于GF-3卫星数据在地表水体快速提取、土壤含水量监测、洪涝灾害监测、干旱监测和水利工程监测等关键技术突破。

2）形成基于GF-3卫星数据的地表水体监测、土壤含水量监测、洪涝灾害监测、干旱监测、水利工程监测等5项技术规范和指标体系。

3）形成4类14种专题产品。

4）具备每天不低于10000km2的专题产品生产能力。

7．GF-3水利示范应用系统运行和示范应用

系统主要在河北省岗南水库、淮河中游干流、安徽北部平原区、长江中下游等示范区，开展GF-3卫星数据地表水体提取、洪涝范围监测、土壤含水量反演、堤防提取等典型示范应用，并在全国其他区域的开展和推广GF-3卫星数据的应用。

四、结论

GF-3卫星为水资源管理、水旱灾害监测、梳理工程监测等业务提供了有力的数据支撑。通过对基于高分三号卫星数据的地表水体快速提取、土壤含水量监测、洪涝灾害监测、水利工程监测等关键技术的攻关。研发相应的模型和软件模块，规范产品生产的技术流程，为批量化、业务化生产奠定了技术基础。搭建了由数据管理、运行管理、数据处理和共享服务等功能组成的支撑平台系统和各类专题产品生产系统。设计系统的技术架构、业务流程、数据流程以及技术指标。在示范区对专题产品生产和应用进行了技术验证。结果表明基于高分三号卫星的专题产品可以有效补充高分光学卫星在恶劣天气条件下数据的不足，产品生产能力可以满足任务需求，产品质量在规范控制条件下可以满足业务要求，能够为水资源日常监测、水旱灾害监测、水利工程监测等提供有力的支撑。