环境减灾二号A/B卫星在轨测试自然资源典型业务应用评价

魏英娟 梁树能 肖晨超 李战

(1 自然资源部国土卫星遥感应用中心，北京 100048) (2 河北省水文工程地质勘查院，石家庄 050021)

随着遥感技术的快速发展，多载荷卫星遥感数据已成为自然资源行业业务开展的重要数据基础。国产遥感卫星多载荷、机动、可控、高重访、多分辨率等特点，提高了我国卫星数据自给率，也为进一步拓展国产卫星数据在自然资源行业典型应用领域的调查监测应用能力提供了数据支撑[1]。

环境减灾二号A/B(HJ-2A/B)卫星于2020年9月27日成功发射，两颗卫星技术状态相同，设计寿命5年。该组卫星是国家民用空间基础设施规划首批启动的遥感业务卫星，将接替在轨超期运行的环境减灾一号A/B卫星。卫星的成功发射，将为我国应急减灾、生态环境、自然资源、水利、农业农村、森林草原、地震等领域提供持续业务应用服务[2]。

为探究环境减灾二号A/B卫星数据在自然资源行业的应用潜力，用好卫星数据，使其在自然资源调查与监测中发挥重要作用，就需要对卫星在自然资源业务工作中的可用性开展综合评价，以便有的放矢地在自然资源调查与监测中充分利用[3-4]。

自然资源部国土卫星遥感应用中心参与了该卫星的在轨测试工作，结合我国自然资源行业典型业务领域遥感监测业务需求，利用HJ-2A/B卫星在轨测试阶段获取到的16 m多光谱(CCD)数据和48 m高光谱(HSI)数据，分别从土地利用宏观监测、生态地质环境遥感调查、地质灾害遥感调查、矿产资源开发现状遥感调查、遥感地质填图等监测应用领域开展了应用能力的测试评价及总结[5]。

1 环境减灾二号A/B卫星的特点

环境减灾二号A/B卫星具有高机动能力、高精度控制、高稳定度、载荷适应性较强及长寿命的特点。两颗卫星均配置16 m相机、高光谱成像仪、红外相机和大气校正仪4种载荷，其中16 m相机通过视场拼接可实现16 m分辨率、800 km幅宽、5谱段成像；高光谱成像仪可实现48 m/96 m分辨率、96 km幅宽、可见至短波谱段高光谱成像；红外相机可实现48～96 m分辨率、720 km幅宽、红外多谱段成像；大气校正仪可在轨同步获取与16 m相机同视场的大气多谱段信息，进行气溶胶和水汽柱浓度校正，提高辐射定量化应用精度。卫星参数如表1所示。

两颗卫星通过同轨组网可快速获取地面影像，具备可见及红外多光谱数据国土2天1张图、高光谱数据国土15天1张图的能力，将大幅提高我国中等分辨率可见光、红外及高光谱数据获取能力，满足国家对相关领域遥感数据持续供给的急迫需求。

环境减灾二号A/B卫星将与高分一号、高分六号卫星协同组网运行，这是环境减灾卫星首次开展卫星项目间的融合协同，星座协同将提高卫星利用率，整体提升中国对地遥感观测效率[6-7]。

表1 环境减灾二号A/B卫星主要参数表Table 1 Main parameters of HJ-2A/B satellites

2 自然资源典型应用

为验证环境减灾二号A/B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、生态地质环境、地质灾害、地质矿产等调查监测业务，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[8]。

图1 环境减灾二号A/B卫星自然资源典型应用测试业务图Fig.1 Services chart of natural resources typical application test of HJ-2A/B satellites

2.1 土地利用宏观监测

基于国产中分辨率卫星数据进行土地利用宏观监测，数据源可以得到保证，投入成本少，实施周期短，可实现季度全国土地利用监测，快速掌握土地利用变化情况和变化趋势，精度符合土地利用动态变化业务需求[9]。利用环境减灾二号A/B卫星可见近红外相机开展了土地利用宏观监测应用测试(图1)，影像各类地表要素间的接触边界清晰，影像特征明显，地物类型可识别性高。与前时相高分一号卫星宽视野(WFV)影像进行变化图斑信息提取，结果显示前时相部分耕地、草地及建设用地，变为新增建筑物及推填土，结合已有验证监测成果分析，解译属性精度达到100%，面积精度达到90%，满足土地利用变化遥感监测的技术规程要求，具有较高的大宗新增建设用地地物识别能力及识别精度，能够满足土地利用宏观监测需求。可见，宽幅中分辨率可见近红外相机具备较强的数据获取能力，数据质量在满足土地资源领域应用对完整行政辖区的需求方面，具有显著优势[1]。

图2 雄安地区土地利用宏观监测遥感解译图Fig.2 Remote sensing interpretation map of macroscopic monitoring of land use in Xiong’ an area

2.2 生态地质环境遥感调查

生态地质环境遥感调查是指利用遥感技术对由地质作用形成并影响人类生存和发展的地质空间环境进行的调查、分析与评价[3]。利用环境减灾二号A/B卫星可见近红外数据开展了土地荒漠化信息提取能力的测试，评测指标主要为土地荒漠化的类型识别精度及程度识别精度。可见近红外影像在荒漠化土地上显示出较强的可判读性：色调符合真实地物，边界清晰，层次丰富，纹理细节明显，容易辨认新月形、弧形、线性等纹理特征，风积、风蚀地貌，轻度、中度、重度沙质荒漠化程度特征标志明显。如图3所示解译结果显示，民勤县土地沙质荒漠化测试区与5年前时相对比，解译结果相差-487.94 hm2，变化率为-4.94%，能够目视解译的最小生态地质环境要素图斑平均大小约3000 m2，满足1∶25万区域地质环境调查地质环境因子解译图斑最小上图面积4 mm2(实地面积250 000 m2)，在土地荒漠化生态地质环境调查方面具有较好的应用前景。

图3 民勤县土地沙质荒漠化遥感解译图Fig.3 Remote sensing interpretation map of sandy desertification in Minqin County

2.3 地质灾害调查监测

地质灾害调查监测大多需要高空间分辨率影像数据，鉴于环境减灾二号A/B卫星数据分辨率的局限性[3]，主要利用16 m可见近红外数据，根据相关技术规程和要求开展大型特大型滑坡、泥石流地质灾害调查与监测应用能力评价，主要以传统人机交互解译为主，提取滑坡、泥石流地质灾害，从一致性、边界准确度、可识别图斑面积等方面评价数据的应用能力。从影像特征看，泥石流在影像中可以看出泥石流沟和堆积扇，容易区分出泥石流边界(图4)；金沙江及其支流沿岸的特大型滑坡可以看出滑坡前后缘及滑坡堆积体，容易区分出滑坡边界(图5)。解译结果显示，可见近近红外数据基本能识别宽度大于800 m、长度大于1000 m的泥石流，宽度大于400 m、长度大于600 m滑坡等地质体。总之，环境减灾二号A/B卫星可见近红外数据从获取时效性，数据覆盖能力，以及数据质量等方面都能满足1∶25万地质灾害调查监测应用。

图4 乌恰县泥石流地质灾害遥感解译图Fig.4 Remote sensing interpretation map of debris flow geological hazards in Wuqia County

图5 特大型滑坡地质灾害遥感监测对比图Fig.5 Remote sensing monitoring comparison of super-large landslide geological disasters

2.4 矿产资源开发现状遥感监测

按照矿产资源开发多目标遥感调查与监测基本技术要求，矿产资源开发现状遥感调查与监测主要是调查和监测矿产资源开采点的分布位置、数量、开采方式、开采状态以及固体废弃物堆放情况等[3]。鉴于环境减灾二号A/B卫星数据空间分辨率的局限性，主要利用16 m可见近红外数据，开展了露天采场、尾矿库和固体废弃物等矿山占地的范围、位置的解译能力评价，开采方式及状态由于受分辨率的限制，推断解译的难度较大。从影像上看，地类层次分明，纹理信息丰富，边界清晰，波段间匹配精度高，可直接通过解译标志准确识别采场，固体废弃物，尾矿库的坝体、尾沙区、废水区等的位置及范围(见图6，7)。解译结果显示，矿产资源开发利用的遥感解译结果精度与已有监测成果比较，达到87.48%。总之，环境减灾二号A/B卫星可见近红外数据对于大型矿山遥感监测具有很好的解译能力，满足1∶25万地质灾害调查监测应用。

图6 矿产资源开发要素解译标志图Fig.6 Interpretation sign diagram of mineral resources development elements

图7 迁安市矿产资源开发现状遥感解译图Fig.7 Remote sensing interpretation map of mineral resources development status in Qian’ an city

2.5 遥感地质填图

基础地质调查是一切地质工作的基础[3]。利用环境减灾二号A/B卫星可见近红外数据，按照1∶25万遥感区域地质矿产调查的相关规范或要求等，评价数据在地层、岩石类型、构造等各类地质要素的属性、形态、接触关系等的可解译性(图8)；利用环境减灾二号A/B卫星高光谱相机载荷数据，按照高光谱数据岩矿信息提取相关技术要求，评价数据对岩性、矿物信息的识别精度(图9)。

图8 青海省冷湖镇苏干湖南地区遥感解译地质图Fig.8 Remote sensing interpretation geological map of Sugan Hunan area, Lenghu Town, Qinghai Province

地质要素的可解译性方面，地质体间的接触边界差异明显，地质体的识别能力较强，部分地质体间的接触边界较为清晰，在断裂构造的识别、构造位置的空间展布等构造信息的判识上应用效果较好，能够满足基础地质遥感调查对遥感数据质量的要求。可见-近红外相机16 m多光谱影像数据能有效地识别并圈出长度大于338 m，宽度大于82 m的闭合地质体；宽度大于243 m、长度大于690 m的块状地质体；宽度大于80 m、长度大于700 m的线状地质体(断裂、脉岩等)，该最大识别度能够满足1∶250 000遥感地质调查技术规定的规范要求。

对于高光谱岩性矿物识别，在光谱特征方面，所获取到的测试环境减灾二号A/B卫星高光谱数据在绢云母、绿泥石、方解石及白云石等蚀变矿物具有相对较好的矿物诊断识别特征，能较好的识别和提取出该四类蚀变矿物信息，方解石、白云石矿物识别精度相对较好，与区内大理岩地层具有一定的吻合度；绿泥石矿物和绢云母矿物识别精度一般。

图9 青海省冷湖镇东地区高光谱相机数据矿物分布图Fig.9 Mineral distribution map of hyperspectral camera data in the east area of Lenghu Town, Qinghai Province

3 结束语

环境减灾二号A/B卫星自然资源行业典型业务的在轨应用测试，基本表明：该卫星可有效用于土地利用宏观监测、生态地质环境遥感调查、地质灾害遥感调查、矿产资源开发现状遥感调查、遥感地质填图等遥感调查监测,能够为自然资源调查监测监管的卫星数据获取提供有力保障。

从图面质量看，可见近红外数据图面清晰度好，细节地物表现能力强，信息量丰富，可解译性高；高光谱数据光谱信息丰富，在矿物识别方面可进行定量反演。从解译反演精度看，可见近红外数据解译成果满足1∶25万遥感调查监测要求；高光谱数据针对特定矿物识别的精度较高。

由于在轨测试时间较短，用于测试的有效数据还不多，基于高光谱相机和红外相机的测试项很少，卫星投入使用后，将在更多区域、更长时间序列开展更为客观可靠的应用评价。

本次应用评价结果仅仅基于有限的数据样本，对环境减灾二号卫星数据的业务化应用能力的全面评价还需要在后续的规模化应用中继续进行和不断完善，以便为后续星的研发提出全面客观的建议。