资源一号02D卫星在轨测试自然资源典型应用

魏红艳 肖晨超 宋庆君 刘克 初启凤 李娜 李战 孙小飞

(1 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048)(2 国家卫星海洋应用中心，北京 100081)(3 黑龙江地理信息工程院，哈尔滨 150086)(4 中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)(5 河北省水文工程地质勘查院，石家庄 050021)(6 四川省地质调查院，成都 610081)

在遥感技术和应用的双重驱动下，近年来我国国产卫星事业迅速发展，国内各行业应用日益广泛，取得了良好的经济和社会效益[1-3]。在自然资源业务应用领域，卫星遥感调查也从土地和矿产资源的分布调查为主，拓展为山水林田湖草全要素，由数量转变为数量、质量、生态三位一体综合调查。卫星遥感全面服务于自然资源调查监测、所有者权益、开发利用、国土空间规划、用途管制、生态修复和督察执法等自然资源主责主业，不断推动卫星遥感向自动化、定量化和规模化方向发展，这对卫星遥感数据从谱段、幅宽、定标精度等方面提出了更高的要求。

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)于2019年9月12日成功发射，实现了与资源一号02C卫星的有序接替。卫星同时搭载可见近红外相机和高光谱相机，定位于中等分辨率、大幅宽观测和定量化遥感，是我国自主建造并成功运行的首颗民用高光谱业务卫星，也是国家民用空间基础设施中新型对地观测卫星。在轨测试期间，开展了卫星数据在土地、地质矿产和环境、测绘、海洋等领域的应用评价，初步验证了卫星数据的应用能力与潜力，其与后续系列卫星组网，可形成领先的业务化对地光谱探测能力，满足新时期自然资源监测需求，为逐步实现自然资源新时期遥感监测提供数据保障，并指导后续的业务化应用。

本文介绍了资源一号02D卫星的特点，基于开展的土地资源、地质矿产与环境、基础测绘、海洋等自然资源典型应用测试结果，总结了卫星的应用能力。

1 资源一号02D卫星的特点

资源一号02D卫星充分考虑了用户对图像幅宽、光谱、几何精度、辐射方面的业务化需求，性能指标较资源一号02C卫星大幅提升(见表1)[4]。资源一号02D卫星的两个显著特点：一是大幅宽，二是光谱信息丰富。

表1 资源一号02D卫星与资源一号02C卫星主要参数对比表Table 1 Comparison of main parameters between ZY-1-02D satellite and ZY-1-02C satellite

幅宽大小与数据连片区域覆盖能力成正比，直接影响卫星的数据获取效率，而采用相机拼接方式增大幅宽，不仅会对数据的处理效率产生影响，影像边缘畸变也较大[5]；资源一号02D卫星搭载的可见近红外相机115 km的大幅宽，可实现大中型城市一次性全覆盖[6]，具有较强的数据区域连片覆盖能力。在轨测试期间以云南西双版纳傣族自治州和黑龙江牡丹江市为测区，在不考虑天气条件下，2019年11月至2020年4月期间，两个测区均实现了多次覆盖，最小全覆盖时间周期仅为7天，区域重叠率较小的两三轨数据即能达到99%以上的覆盖。

资源一号02D卫星搭载的可见近红外相机在传统4波段的基础上增加了海岸蓝、黄色、红边和近红外，从而具备1个全色和8个多光谱的9谱段成像能力，提供了更丰富的地物光谱信息，测试表明多波段组合更有利于矿山地物的信息提取、有利于地理国情监测要素提取与更新等；高光谱相机可获取地物在400～2500 nm范围内166个连续谱段光谱信息，便于开展定量化遥感应用。

2 自然资源典型应用

为验证资源一号02D卫星在自然资源主体业务中的应用潜力，在完成卫星系统、星地一体化及地面系统测试的基础上，分别针对可见近红外相机和高光谱相机标准数据产品，围绕土地资源、地质矿产与生态环境、基础测绘、海洋海岛监测等业务，开展了自然资源应用测试工作(见图1)，为卫星投入使用后顺利转入业务化应用奠定基础。

图1 资源一号02D卫星自然资源应用测试业务图Fig.1 Services chart of natural resources application test of ZY-1-02D satellite

2.1 土地资源应用

土地资源调查与监测遥感应用的基础是影像地类的识别能力，即不同地表覆盖/土地利用类型的可分性[7]。利用资源一号02D卫星可见近红外相机数据开展了地表覆盖变化监测应用测试，结果显示融合影像可识别种植土地、林草覆盖、房屋建筑(区)、铁路与道路、构筑物、人工推掘地、水域等一级类，能识别土地二级类中的水田、乔木林、多层及以上房屋建筑区、公路、露天采掘场等部分地物类型；基本能满足三、四类监测区影像数据保障需求，为土地变更调查提供基础信息(见图2)；可提取新增建设用地的最小图斑满足最小0.6亩(约400 m2)的要求，可用于土地资源全天候遥感监测；通过多时相高分辨率遥感影像比对，能获取疑似违法图斑类型的属性、范围等信息(见图3)。此外宽幅可见近红外相机具备较强的区域性数据获取能力，在满足土地资源领域应用对完整行政辖区覆盖的需求方面[8],具有显著优势。

图2 地表覆盖变化监测图Fig.2 Monitoring the change of land coverage

图3 疑似违法图斑(毁林)Fig.3 Suspected illegal spot (deforestation)

2.2 地质矿产与环境应用

利用可见近红外数据开展了基础地质、地质环境、地质灾害、矿山开发现状等常规调查监测测试，结果显示资源一号02D卫星可见近红外相机融合数据结合其他资料，能区分大部分地层、构造、岩体等基础地质要素，识别一定规模的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害类型，解译湿地、荒漠化、沙化、水体、植被等环境因子，提取有关矿业活动图斑(见图4)。可用于1∶25 000的矿山开发遥感调查与监测、矿产环境恢复治理监管应用评价(见图5)，1∶50 000的遥感地质解译、地质灾害遥感调查与监测、生态地质环境遥感调查以及农林水土综合评价等业务。

已有研究表明：基于高光谱丰富的光谱信息，可开展矿物精细识别、水质监测、植被覆盖监测、生态系统分类、土壤信息提取等应用[9-11]，资源一号02D卫星的高光谱载荷为地质矿产调查与环境监测的定量化应用提供了高光谱数据。

图4 矿山开采遥感解译图Fig.4 Remote sensing interpretation of mining

在矿物信息提取和丰度反演方面，利用资源一号02D卫星高光谱数据采用综合光谱特征匹配度和特征参量的矿物识别方法，开展了矿物信息提取(见图6)。结果显示：高光谱数据对具有明显光谱特征的矿物信息响应较好，所识别出的褐铁矿、绢云母、方解石、白云石、绿泥石/绿帘石等矿物特征谱形清晰可辨，特征吸收位置准确；根据矿物特征吸收深度大小可对矿物相对丰度进行反演。可用于区域矿物填图和找矿预测，为境内外重要成矿带或者重点区域开展矿物填图提供数据支撑。

图5 矿山环境恢复治理图Fig.5 Restoration and management of mine environment

在水质参数反演方面，利用该星高光谱数据采用水质反演模型，反演了叶绿素a(见图7)、悬浮物浓度等水质参数。结果显示：高光谱数据具有与水质参量相关的精细光谱特征，其高的光谱分辨率能为水质参量反演提供更丰富的波段选择，反演结果与地面实测数据对比整体一致性较好。

在植被参量估算和植被生态系统精细分类方面，相较于传统多光谱遥感，基于高光谱数据可大大提高植被指数(见图8)所能反映的信息量，并且能提升植被生态系统类型划分的精细程度和准确性。综合利用高光谱地表反射率数据以及空间纹理、植被指数等特征，采用支持向量机分类方法，进行植被生态系统精细分类(见图9)；综合目视比较和精度分析认为，选择合适时相的数据，可有效地进行植被生态系统精细分类。

在土壤参量反演方面，利用高光谱数据可获取耕地土壤中秸秆分布情况、提取有机质、水分、沙化(见图10)等部分信息，因疫情影响未开展地面同步实测，精度将在后续相关工作中验证；但已表明资源一号02D卫星高光谱遥感数据与实验室理化参量可构建相应指数或模型，实现土壤有机质、铁氧化物以及部分营养元素信息的定量反演，能推动土壤质量、土壤退化等方面的调查工作。

此外，在轨测试期间，还开展了植被覆盖区植被异常信息提取，圈定重金属元素胁迫下部分典型植被分布位置，与已知矿点一致性好，未来对植被覆盖区遥感找矿具有积极指导意义。

图6 基于高光谱数据的矿物信息提取图 Fig.6 Mineral information extracted from the hyperspectral

图7 基于高光谱数据的水体叶绿素a浓度反演图Fig.7 Retrieval illustrationof chlorophyll a concentration in water originating from the hyperspectral data

注：NDVI为归一化植被指数。

2.3 测绘应用

1∶50 000地形数据和地理国情监测数据是构建自然资源三维立体“一张图”、支撑地表覆盖自然资源调查监测的重要空间载体。按照相关标准规范和技术要求，利用资源一号02D卫星可见近红外相机数据，在东北平原地区开展了1∶50 000地形数据库更新和地理国情监测数据更新等业务应用与评价。结果显示：其几何校正精度、影像配准误差、影像融合效果等质量评价合格，要素纹理清晰，光谱信息丰富，地物识别度高。水系、居民地及设施(见图11)、交通、植被与土质等典型地物的结构类型、分布范围、轮廓特征、位置关系等清晰，易于解译；个别复杂区域利用多波段组合方式，可实现模糊地物要素关系的判别与区分，卫星数据能有效用于1∶50 000地形数据库更新和地理国情监测数据更新。

图11 居民地(街区)变化监测Fig.11 Change detection of residential area (block)

2.4 海洋应用

近海及海岸带是海洋资源丰富且对海洋经济有巨大贡献的区域，不同于全球海洋观测的需求，在近海以及海岸带区域需要相对较高空间分辨率的卫星数据，利用资源一号02D卫星数据根据相关标准和规范开展了相关主体业务的应用。结果显示：可见近红外相机数据质量良好，图像纹理清晰，对水边线、冰缘线、浮筏养殖以及海上漂浮藻类、红树林和湿地等信息提取准确，能有效的用于围填海调查、海岸线变化监测、海冰监测(海洋突发事件应急响应等)(见图12)、近海养殖区监测(见图13)和大面积绿潮灾害监测、海洋典型生态系统监测(见图14)等；高光谱数据可有效识别海上漂浮藻类，可实现湿地、红树林等海洋典型生态系统的分类(见图15)。另外定标精度提升的高光谱数据可用于近海小范围的海上水色要素提取。

图12 辽东湾海冰遥感监测图Fig.12 Monitoring the sea ice in Liaodong bay

图13 大连浮筏养殖遥感监测图Fig.13 Monitoring the floating raft breeding in Dalian

图14 深圳福田区红树林遥感监测图 Fig.14 Monitoring the mangroves in Futian district, Shenzhen

图15 基于高光谱的深圳福田区红树林分类图Fig.15 Classification of mangroves deriving from the hyperspectral data in Futian district, Shenzhen

3 结束语

本文通过资源一号02D卫星应用在轨测试表明：该星数据可对土地、地质矿产与环境、测绘、海洋等调查监测要素信息进行高精度解译，可在矿物识别、水质监测、土壤调查等方面进行定量反演，不仅可用于日常的调查监测监管，也可用于突发事件应急响应，有效服务/推动自然资源调查、监测、监管和应急等业务。在轨测试是限于有限区域和数据的应用测试，后续规模化的星载高光谱数据应用需要大量的同步观测、光谱样本等数据支撑；部分探索性应用需进一步验证和开展技术方法研究；星载高光谱混合像元的分析也需继续推进。随着业务应用的深入和在轨数据的不断积累，资源一号02D卫星将成为自然资源调查监测的重要数据源，以拓展多样化的遥感监测手段，提高山水林田湖草等自然资源定量化调查监测能力，提升自然资源调查监测技术水平。