资源一号02D卫星应用系统设计

肖晨超 魏英娟 赵世湖

(自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)是自然资源部陆地卫星观测体系的重要组成，其大幅宽、高(细分)光谱分辨率的数据获取能力对应用系统提出更高的要求，是卫星数据能否有效转化为业务能力的关键。从承接关系上资源一号02D卫星是资源一号02C的接续星，该星代替超期服役的资源一号02C卫星，并从姿态机动、图像质量等方面持续提升卫星的功能性能，以更大的幅宽和更多的谱段支撑1∶10万～1∶25万比例尺国土资源、地质矿产资源的调查和监测工作。该星作为我国首颗民用高光谱业务卫星，其规模化高光谱数据获取能力，可为矿产资源、自然生态等领域定量化调查工作提供规模化遥感数据，满足新时期国土资源调查与监测、地矿勘查、地质灾害环境监测等业务的数据需求[1-3]。

自然资源部成立后，其职责由原来的土地、矿产和地质监督管理拓展到了整个自然资源范围。针对自然资源山、水、林、田、湖、草整体保护、系统修复、综合治理多要素遥感观测的新需求，在卫星发射后，除了做好矿产资源领域的定量应用外，积极探索研发星载高光谱数据在各门类自然资源定量应用方面的潜力与核心技术[4-6]，在轨测试表明，卫星性能达到了研制总要求规定的各项工程技术指标，卫星数据质量良好，具备长期稳定运行的能力。

自然资源领域是我国较早应用卫星遥感技术并形成应用规模的行业之一。本文旨在针对自然资源部陆地观测任务新需求，充分发挥资源一号02D卫星功能性能，建设资源一号02D卫星应用系统，形成规模化的产品生产和监测应用能力。资源一号02D卫星应用系统围绕业务卫星业务化、规模化产品生产的需求，针对卫星数据质量提升与精度验证、数据与应用产品生产、质量检查控制等核心业务环节，分别设计独立业务分系统；并且在多星多任务管控的业务框架下，综合考虑与其他相关卫星协同开展数据获取、成果归档等应用场景，设计业务运行管理、数据管理以及过程库相关接口和流程，通过统一的任务调度、数据接口实现系统集成[7]。目前应用系统运行稳定，实现资源一号02D卫星数据的日常处理，并且面向省级卫星中心开展数据分发服务。

1 应用产品体系设计

资源一号02D卫星在提升幅宽与几何精度的同时，实现了业务卫星光谱精细化、定量化的能力增强。在多光谱方面，将国产卫星惯用的4个多光谱谱段拓展到8个，增加海岸蓝、黄、红边和近红外等谱段，增强了对水体、林木、农作物等要素的定量化观测能力；与此同时，通过高光谱载荷可表达更加精细的光谱信息[8]，这一特点可以更好的支撑自然资源“数量-质量-生态”三位一体调查监测应用，产品体系设计如下。

1.1 基础数据产品

卫星地面系统提供的数据为辐射校正产品，在此基础上，需根据不同业务应用需求，分别进行传感器校正、单景正射校正、区域正射校正及反射率生成等处理，具体如表1所示。

表1 基础数据产品表Table 1 Basic data products

1.2 专题应用产品

资源一号02D卫星的专题应用产品包括各级别的可业务化生产的指数产品、反演产品、分类产品以及结合人工经验、核查和修编的各类专题产品，具体如表2所示。

表2 专题应用产品表Table 2 Special application products

2 应用系统组成

资源一号02D卫星应用系统包括业务运行管理与调度分系统、质量提升与精度验证分系统、数据处理生产分系统、业务应用分系统、数据质量检查控制分系统、过程数据管理分系统。具体系统组成如图1所示。

图1 资源一号02D卫星应用系统组成图Fig.1 Composition diagram of ZY-1-02D satellite application system

业务运行管理与调度分系统接收来自上一层级运行管理系统的任务信息，进行任务解析，实现系统内部的任务数据调度、任务管理调度等，保障系统内生产任务顺利有序进行，并向上一级多星多任务运行管理系统反馈任务状态信息。

质量提升与精度验证分系统围绕观测数据几何定位、高精度配准、辐射校正等指标的跟踪及持续优化的需求，充分利用星上主载荷、大气校正仪载荷及相关辅助信息，在分析相机成像和误差模型的基础上，开发相应模块，尤其针对星载高光谱数据特点，构建成像环节产生的干涉条纹、稳定噪声及修正模型，是定量化应用的基础业务环节。数据处理生产分系统采用高自动化、业务化的生产模式，在传统光学载荷几何处理模式的基础上，研发基于大气查找表的规模化大气校正工作模式，主要负责生产单景正射纠正影像、几何定向模型、区域正射纠正影像、大气表观反射率、地表反射率、地形修正反射率、反射率降维等基础定量遥感产品(3～5级产品)。

业务应用分系统面向自然资源应用业务需求，支持常态化和应急两种运行模式，以基础产品数据(2～5级)和光谱、实测采样、人文信息等多源支撑数据为输入，应用定量遥感、人工智能、大数据、高性能计算等技术方法[9-10]，在专业技术集成和业务流程建模能力的支撑下，生成地表分类产品、定量参数产品、生态状况产品及相应的精度评价产品(6～8级产品)，支撑各类标准专题产品的生产和综合应用。

数据质量检查控制分系统根据质量检查方案对传感器校正产品实现自动化全量数据质检，对各类高级数据产品以及专题产品根据设定的质检方案和策略进行人机交互抽检。该系统除了具备一般光学影像检查能力外，还支持高光谱数据的质检，生成的质检报告随各级数据一并分发，便于用户评价部分数据在定量应用中的可用性。

过程数据管理分系统主要是管理各类产品生产过程中的辅助数据、中间成果，并且临时管理和保存最终成果数据，该系统向上一级数据管理系统开发完整权限的数据操作接口，便于最终成果的查询归档，或作为专题数据库分布式节点运行。

3 系统流程设计

应用系统运行流程被设计为数据驱动型和业务驱动型两类。数据驱动型主要是日常数据的接收处理归档等常规操作；业务驱动型主要是通过调查监测业务需求，反向驱动数据接收(检索)、处理及相关的专题信息提取。无论哪种运行模式，其内部都是通过一系列预先定制好的业务模板驱动各分系统内相关模块，协同完成数据处理任务。系统总体流程如图2所示。

业务运行管理与调度分系统是系统运行流程定制与管理的中枢，负责系统中的任务调度、数据调度。在数据驱动模式下，根据内置的数据任务模板生产相应的基础数据产品并归档；在业务驱动模式下，负责接收上级运管系统发来的任务信息，从数据库中提取任务数据，并且控制数据经过各分系统形成专题产品，最终将各业务分系统反馈的产品有效存储，并根据成果归档策略向上一级数据管理系统归档。

图2 系统流程设计图Fig.2 System flow design diagram

4 系统集成策略

资源一号02D卫星应用系统涉及到较多的专业领域知识与业务模型，在系统设计与开发过程中为了确保系统的整体性和可扩展性，最大程度确保系统长期运行效果，需要对系统集成与部署策略进行设计。

系统的集成工作包括各分系统集成以及插件两个层面。分系统集成基于面向服务的架构从支撑环境、流程和数据三方面进行集成，其核心是根据数据处理流程中输入的模型参数和业务管理参数特点，进行业务模型设计，然后基于各类产品的生产流程，通过统一消息接口、数据字典、业务流程模板，并构建统一数据传递机制实现分系统的集成；对于各分系统业务运行中所应用到的大量算法功能，则采用可视化、拖放式的流程搭建方法构建工作流，工作流引擎实现对插件的调用。所有系统插件基于统一开发标准，并构建系统全局的插件库后，支持业务流程的灵活定制、业务生产线的快速搭建[11]。技术路线如图3所示。

图3 系统集成技术路线Fig.3 System integration technical route

5 系统主要设计指标

在相应硬件基础设施支撑下，资源一号02D卫星应用系统具备数据日清月结处理能力，并可支撑其他类似星载卫星数据的处理；可实现不同应用场景及大气状态的自动校正，可支持传统分类算法模型以及深度学习网络模型并具备地表覆盖3级分类样本数据管理能力；系统具备长时间序列产品的变化监测与分析能力。

系统性能指标方面，经该系统处理后，几何精校正影像像元定位精度优于1个像元、谱段间影像配准误差小于0.2个像元；高光谱影像相对辐射校正(归一化校正)误差≤2%、高光谱影像绝对辐射校正误差≤6%、大气窗口谱段地表反射率产品精度绝对误差小于7%；系统支持在线用户数≥100，查询检索、单屏刷新返回时间≤2 s；支持优先级、调度策略、负载均衡等管理设置，具有7×24小时服务能力，运行稳定性优于99%。

6 系统运行情况

资源一号02D卫星自2019年9月12日发射以来，应用系统建设与在轨测试工作同步推进，在轨测试、系统开发、模型优化及业务应用协同开展。2019年12月完成系统整体框架集成后即开展试运行与调试，2020年3月启动自然资源行业多光谱数据分发；2020年5月启动自然资源行业高光谱数据分发。目前，基于资源一号02D卫星应用系统，已实现卫星每日接收数据的及时处理与分发，并在常态化卫星遥感监测、高光谱定量产品研发与生产以及光谱大数据分析与模型研发等工作中发挥重要作用，图4为部分基础数据产品和专题应用产品示例。

图4 资源一号02D卫星数据产品示例Fig.4 Example of ZY-1-02D satellite data products

7 结束语

业务卫星数据的规模化应用能力是发挥卫星投资效益的关键所在，业务应用系统的建设和有效运行是提升业务应用能力的最重要抓手。卫星应用系统的设计和建设须在业务应用需求的引领下，尽可能形成明确完善的产品体系，并统筹考虑卫星设计指标及效能、地面系统处理与实现能力等因素，通过“两个统一”(统一技术要求，统一工程管理规范)来完成工程建设的组织管理工作，最终通过“技术+管理”，实现界面统一、功能可复用、结构可扩展、流程可定制的业务卫星应用系统。

资源一号02D卫星应用系统在建设中，除了充分借鉴信息化、深度学习等技术外，还围绕高光谱数据Etalon效应去除、光谱保真条件下的辐射质量提升、片间一致性纠正、规模化大气校正等技术难点，以及高光谱水体水质、土壤质量等典型应用场景，开展技术攻关，基本实现了典型区域部分定量应用产品的自动化生产，但实现星载数据的大规模定量化应用还亟需构建星载数据典型地物光谱库及野外检验站等基础设施，逐步提升星载高光谱数据应用效能，力争以更加强有力的科技手段支撑服务各类政策制定与执行。