高分四号卫星应用研究探析

摘   要：高分四号卫星是我国高分对地观测系统中，首颗高轨道对地静止遥感卫星，具有全色、多光谱和红外光谱成像能力，同时具有较高空间分辨率和高时间分辨率光学遥感，为国土、海洋、国防、水利、气象、地震、减灾、林业等多个领域提供遥感数据支持，在数据获取时效性、产品精度等方面，高分四号卫星获取影像数据能力仍需进一步加强。

关键词：高分四号  遥感卫星  灾害预警  数据支持

中图分类号：P237                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（b）-0022-03

Abstract： Gaofen-4 satellite is the first high orbit geostationary remote sensing satellite in China， which has the ability of panchromatic， multispectral and infrared spectral imaging. It also has high spatial resolution and high temporal resolution optical remote sensing. It provides remote sensing data support for many fields such as land， ocean， national defense， water， meteorology， earthquake， disaster reduction， forestry and so on. The data obtained in terms of timeliness and product accuracy， the image data acquisition ability of gaofen-4 satellite still needs to be further strengthened.

Key Words： Gaofen-4; Remote sensing satellite; Disaster warning; Data support

高分四号卫星自发射到现在已经在轨道运行4年多，为各个领域提供接近60万份图像数据，为我国各行业建设发展做出巨大贡献。高分四号卫星可以长期停留在指定区域正上方太空中，是国家高分辨率对地观测系统重大专项中的唯一的一颗高轨道遥感卫星。高分四号卫星具有全色、多光谱和红外光谱成像能力，为国土、海洋、国防、水利、气象、地震、减灾、林业等多个领域提供遥感数据支持[1]。

高分四号卫星为具备全天时成像能力的任務主导型卫星，用户仅需通过宏指令接口将任务信息上注卫星，计算机将根据任务信息自主按照时序分发至下游机位，完成成像任务。高分四号卫星日平均成像达72景，并且对用户的成像任务实时响应，在处理紧急任务方面能发挥巨大作用。

1  高分四号卫星在各领域的应用

高分四号卫星为我国的防灾减灾、森林草原火灾、洪涝灾害、气象预警、地震监测等领域提供了可靠、稳定、快捷的光学遥感数据，并且开辟了我国同步轨道高分辨率卫星对地观测的新领域，为突发性灾害预警预报、大面积干旱监测、流域性洪涝灾害监测、台风监测预警和地震区域构造信息提取等方面，提供了全新的技术手段。

1.1 防灾减灾应用

高分四号卫星对致灾因子、灾害发生体、致灾环境等灾害，在基于对采集影像的特征参数提取后，就可以展开持续、定期、动态的监测。高分四号卫星的数据对植被指数、地表反照率、植被覆盖率、水体指数等参数研究提供了重要基础，在水灾、雪灾、旱灾的监测和评估方面发挥重要作用。高分四号卫星具有全天候高频次观测的优势，从而可以为地类识别提供了有效的技术和方法[2]。

森林草原火灾、溃坝性洪涝灾害具有突发性和变化快等特点，高分四号卫星以其响应速度快、观测频率高、覆盖范围广的优势，在处理突发性灾害方面具有显著优势。高分四号卫星搭载有中波红外相机，同时还搭载有可见光近红外相机，中波红外相机和可见光红外相机，均适合森林火灾和草原火灾监测。因为森林火灾和草原火灾伴随有局部区域高温，因为中波红外波段对地表高温物体非常敏感，而可见光近红外波段，特别适合于火烧区域和燃烧浓烟的识别，中波红外波段和可见光红外波段相互配合，构成针对森林火灾和草原火灾的监测链。基于可见光红外谱段和中波红外谱段数据，高分四号卫星可以快速、准确识别森林火灾和草原火灾区域，为应急救援工作提供了有效的数据支撑。

另外针对流域性的洪涝灾害，高分四号卫星以其高幅宽的优势，可以对这种大面积的灾害情况进行时效性的观测，并且数据处理量不高，可以为灾害应急工作提供数据支撑。在大面积的旱灾监测中，高分四号卫星可以对可见红外光波段进行数据采集，提取植被指数及水体面积。通过与往年的同类数据对比，可以对植被的长期长势规律和水库的蓄水规律进行总结，监测并预测未来干旱灾害状况和未来趋势[3]。

1.2 气象预警应用

我国东部和南部沿海地区是台风高发区，平均每年遭受7～10次台风侵袭，台风会引发滑坡、泥石流、洪灾、坍塌、风暴潮等众多次生灾害。因为台风具有很强的破坏力，所有台风等极端天气的监测和预警非常重要。高分四号卫星将气象观测分辨率从千米级提高到了百米级，显著提升我国气象监测预警能力。2016年7月，台风“尼伯特”过境，国防科工局重大专项工程中心，与中国气象局国家卫星气象中心进行了紧密的合作，对高分四号卫星采集的影像进行了研究性分析。利用高分四号卫星进行快速成像，实时观测采集台风云图的演变过程。在随后“玛利亚”、“妮妲”等台风监测预警工作中，高分四号卫星展现了秒级高频次视频成像功能，观测到了台风眼局部区域的精细化环流影像，准确获取了台风眼的位置。高分四号卫星在提高了台风灾害影响观测范围的同时，增强了台风预警预报的准确性。与此同时，高分四号卫星进一步揭示了台风云系的变化规律，尤其是小尺度云团的演变过程。高分四号卫星还提高了台风强度预测和降雨量预报的精度。高分四号卫星服务气象灾害的应急领域，先后有效提升了我国台风应急气象监测能力和降水预测预报能力，为提升台风路径估算和降水强度预报，为提升气象预报准确率提供了重要参考。

高分四号卫星的全天时高分辨率的优势，使得卫星在监测云系快速变化工作中精准高效，以往在云层细微纹理结构、积云线排列分析、垂直风切换等方面属于监测难点，借住高分四号卫星的中波红外成像功能，可以帮助监测人员更快更好的观察中小尺度对流系统的发生及演变，显著降低了观察夜间天气系统变化工作难度。未来在雾霾污染源查找、沙尘暴监测等领域，高分四号的全天时高分辨率的优势和短临预报能力，将会发挥出更重要的作用[4]。

1.3 地震区域监测

地震热异常现象是一种有效的地震前兆信息，利用高分四号卫星红外遥感及其覆盖范围广、能够连续观测等优势而成为开展地震热异常监测的有效方法。由于太阳辐射和人类活动等会对地震红外异常观测带来的影响，所以需选用夜间成像数据。高分四号卫星的中红外数据恰好弥补了现有地监测卫星的远红外和长波辐射数据的不足。

地震区域监测需要定期获得覆盖监测区域及周边地区的光学遥感图像，从板块和次一级块体的角度，分析构造的活动模式及研究其动力学机制。现有极轨卫星具备获取全国范围数据的能力，其缺点是数据获取周期长，并且易受天气等因素影响，导致部门影像数据无法利用。同时极轨卫星成像幅宽小，在获取全国范围的图像时，需要拼接几百景数据，导致工作量较大，并且由于成像时间不同，不同景的图像间色调相差较大。高分四号卫星利用其区域成像模式能够在24～48h内完成我国国土的全境覆盖，在地震区域构造调查和分析中具有很好的应用前景。

针對典型地震构造地貌单元，基于高分四号卫星的多时相光学数据，可以分析出断裂带两侧地貌单元的含水量变化以及地表植被差异。高分四号卫星的多时相光学数据分析为开展大范围构造带几何学、运动学遥感综合研究奠定基础[5]。

2  不足及展望

新时代的应急管理，具有新任务和新要求。高分四号卫星在数据获取的时效性，输出产品的精度等方面，高分四号卫星在获取和处理影像数据的能力，仍需进一步加强。

2.1 简化运管机制

高分四号卫星从观测任务注入到数据推送至用户，需要经历多个环节，数据成像能力强，但是数据时效性服务能力较弱。通过优化高分四号卫星观测任务，革新任务注入和数据传输机制，从任务注入到产品输出的各个环节，需要确保重要任务优先注入。通过设立应急机制，确保紧急数据优先处理和推发送，可以显著提升数据的时效性。

2.2 加强量化管理

高分四号卫星的定量化仍处于研究阶段，高分四号卫星的设计业务能力与实际业务能力尚存在偏差。通过与实际业务紧密结合，可以充分展示和评估高分四号卫星的优劣。在数据辐射定标工作进程中，可以利用关键参数反演验证的方式，从目标精度逆向反推出各级产品精度。通过构建定量化应用精度指标体系，高分四号卫星的产品输出准确度可获得显著提升。

2.3 挖掘数据潜力

高分四号卫星与传统的对地静止卫星相比，尚未构建系统化、体系化协同应用的模式和技术体系。高分四号卫星的数据应用技术，与其他对地静止卫星应用相比，对高频次的观测数据包含的隐藏信息挖掘还不够，并且也未凸显高分四号卫星的高频次观测特性。可以通过加强高分四号卫星与其它对地静止卫星的合作，在数据任务注入、输出数据融合、产品信息挖掘等方面进行协同并用。依托人工智能和大数据分析等有效手段，基于高频次海量观测数据，构建信息挖掘技术，充分发挥高分四号卫星的响应迅速的优势[2]。

由于对地球同步轨道的高分辨率遥感才实现不久，还存在一个不断研究改进的过程，未来高分四号卫星的应用不会只限于地震、洪涝、台风、火灾等应急监测。随着新需求的出现和分辨率提升等技术的发展，预期高分四号卫星的应用潜力将得到进一步的挖掘。

3  结语

高分四号卫星开辟了我国地球静止轨道较高分辨率对地观测新途径，填补了我国乃至世界静止轨道高分辨率遥感卫星的空白，同时具有较高空间分辨率和高时间分辨率光学遥感，为减灾、气象、地震和林业等多个行业的应用提供遥感数据服务，并为海洋、国土和水利等行业以及国防建设提供遥感数据支持，实现中国民用高分卫星研制和卫星遥感应用领域的新突破对地球静止轨道遥感卫星技术发展具有开创性的意义。本文总结了高分四号卫星的优势和不足，并为中国静止轨道高分辨率光学遥感领域后续发展提出重要建议。

参考文献

[1] 刘凤晶，李果，于登云，等.高分四号卫星及应用概况[J].卫星应用，2018，84（12）：12-18.

[2] 杨思全，李素菊，吴玮，等.高分四号卫星在防灾减灾中的应用实践[J].卫星应用，2018，84（12）：19-26.

[3] 覃先林，刘树超，李晓彤，等.高分四号卫星在我国森林草原火情监测中的应用[J].卫星应用，2018，84（12）：36-39.

[4] 卢鹏，邹佩岐，邹国良.基于多尺度卷积特征融合的台风等级分类模型[J].激光与光电子学进展，2019，56（16）：101-107.

[5] 李建，韩立.基于可视化遥感的地震大区域灾情收集系统[J].地震工程学报，2019，41（2）：256-261.

作者简介：田瑜基（1986，9—），女，汉族，福建厦门人，硕士，测绘工程师，从事GIS、信息化技术研究工作。