中国高分辨率对地观测系统卫星概况、特征及应用

刘丽明，王 晋

(山东建筑大学 资源与环境创新研究院，济南 250101)

高分辨率遥感卫星(后简称高分卫星/GF卫星)，是指拥有较高空间、光谱或时间分辨率的对地观测遥感卫星[1]。高分辨率对地观测系统重大专项启动以来，我国共成功发射高分系列卫星20余颗，其中比较有代表性的是高分一号、高分辨率多模综合成像卫星、高分十四号等卫星[2]。我国高分系列卫星类型多种多样，其光谱分辨率从全色-多光谱到高光谱，其波长从紫外波长到微波波长。简而概之，高分一号高分宽幅、高分二号亚米全色、高分三号多极化SAR成像、高分四号地球同步轨道秒级成像、高分五号高光谱观测、高分六号高分宽幅及精准农业、高分七号高分立体测绘，等等。高分系列卫星的成功研发、发射和应用标志着我国遥感技术与卫星工程发展的再次飞跃，标志着我国卫星遥感能力的国际影响力得到进一步提升。高分系列卫星极大丰富了我国自主对地观测的数据源，为国产高分遥感数据的稳定供应提供了有力保障，对生态经济绿色循环高质量发展、生态文明建设、生态环境可持续发展、现代精准农业、综合防灾减灾、脱贫攻坚等战略的实施具有重大意义[3]。

1 高分一号卫星概况、特征及应用

1.1 高分一号卫星概况

高分一号卫星于2013年4月26日发射入轨，轨道倾角与降焦点地方时分别为98.0506°与10：30 AM。该卫星搭载了两台全色多光谱相机(PMS)与4台宽幅多光谱相机(WFV)，重访周期和回归周期分别为4 d与41 d[4-5]。

表1 GF-1卫星--GF-8卫星简表

表2 GF-1卫星有效载荷参数

1.2 高分一号卫星特征与应用

高分一号卫星在空间分辨率、多光谱和大覆盖3个方面实现了较好的结合，适用于用户精细化应用需求。此外，高分一号的低轨道卫星平台采用三轴稳定控制方式，具有较高的机动侧摆能力和较高精度的姿态控制能力[6]；高分一号具有2×450 Mbp数据传输能力，满足大数据量应用需求。

自2013年高分一号传回影像数据以来，凭借其大宽幅、高时相和高空间分辨率相结合的特征和优势，在我国农业农村、灾害监测与后评估、生态环境保护、土地覆盖类型变化与地貌类型提取、资源调查、城乡建设、测绘等领域与行业中得到广泛应用。例如，凭借其高分宽幅的特征，仅需34景高分一号WFV影像数据即可完成对6 587 km2南京市的农业用地精面积、用地类型等精细提取[7]；仅需6景高分一号PMS遥感影像数据即可完成对2 686 km2福建省龙岩市新罗区森林覆盖面积的提取[8]。

2 高分二号卫星概况、特征及应用

2.1 高分二号卫星概况

高分二号卫星于2014年8月14日发射入轨，轨道倾角与降焦点地方时分别为97.908 0°与10：30 AM。高分二号卫星重2.1 t，设计寿命5～8年。高分二号装载的PMS相机星下点像元分辨率为0.81 m/3.24 m，重访周期与回归周期分别为5 d与69 d[9]。

表3 GF-2卫星有效载荷技术指标

2.2 高分二号卫星特征与应用

高分二号卫星具有亚米级空间分辨率，具有大幅宽成像技术与轻小型相机设计技术，具有高集成高动态低噪声成像电路设计、高重访率轨道优化设计、载荷多种灵活工作模式设计与高图像定位精度设计[10]。此外，该卫星具有高图像辐射精度、高定位精度等特点[11]。借助于高分二号亚米级空间分辨率的显著特征，该卫星可应用于土地覆盖地物识别，可应用于海岸线、黑臭水体、城市不透水面等要素的高精度提取，可应用于矿山开采、地质灾害、土壤含水量等方面的高精度监测[12-14]。例如，基于支持向量机和随机森林两种分类器可实现不同时相及特征维度下的油松、山杏、侧柏等8类树种的分类提取[15]。此外，高分二号亚米级空间分辨率的遥感影像还可以用于快速获取1∶1万比例尺的近实时数字地形图[16]。

3 高分三号卫星概况、特征及应用

3.1 高分三号卫星概况

高分三号卫星于2016年8月10日发射入轨，是我国首颗分辨率达到1 m的C波段多极化SAR卫星[17]。

3.2 高分三号卫星特征与应用

高分三号卫星具有高空间分辨率、高光谱分辨率、高时间分辨率及高观测精度等特征，可以全天候全天时地对地观测，可以根据不同需求生成1～500 m分辨率、10～650 km幅宽的影像数据，是目前分辨率最高的C波段、多极化卫星。高分三号的常规入射角为20°～50°，扩展入射角可达10°～60°，拥有12种成像模式，如表4所示，是目前世界上工作模式最多的SAR卫星。该卫星在条带、扫描、聚束模式下还可切换不同分辨率和入射角。高分三号的工作功率可达万瓦级，因此可以获取高性能的微波图像。

表4 GF-3卫星有效载荷技术指标

表5 GF-4卫星有效载荷技术指标

作为C波段微波卫星，高分三号可应用于地物分类、水体提取、海洋环境监测、地质解译、内波反演、应急防灾减灾等领域，且具有不受气象因素影响全天候全天时的对地观测能力[18-19]。作为我国目前多分辨率最高极化SAR卫星，高分三号卫星可应用于形变监测、表面运动监测、地质灾害预警等领域。例如，2017年九寨沟7.0级地震后，利用地震前后两景高三号SAR影像即可具有干涉条纹的干涉图及同震形变场，且形变场与验证结果吻合[20]；基于高三号FSII-SAR影像与偏移量跟踪技术即可精确得到念青唐古拉山依嘎的表面冰川运动情况[21]。

4 高分四号卫星概况、特征及应用

4.1 高分四号卫星概况

高分四号卫星于2015年12月29日发射入轨，是我国自主研发的第一颗地球同步轨道高分辨率光学遥感卫星 。高分四号的定点位置为105.6°E，搭载了一台可见光50 m/中波红外400 m分辨率、大于400 km幅宽的凝视相机，设计寿命为8年，可以实现对我国及周边地区的观测[22-23]。

4.2 高分四号卫星特征与应用

高分四号卫星的运行轨道为地球同步轨道，其成像载荷是一台配备了可见与红外一体化光学镜头、CMOS探测器等国际先进传感器的面阵凝视相机。因此，高分四号可在实现单像元较高分辨的基础上，同时满足星下点图像大于400 km×400 km的成像幅宽[24]。此外，高分四号卫星可有效的获取高品质的气象云图，进行应急观测和追踪观测，短临预报精确[25]。高分四号卫星成像速度快、速度短，时间分辨率可达秒级，可对洪灾、火灾等突发性灾害进行近实时监测[26-29]。以上特点提高了高分四号防灾减灾的时效性，补充了我国环境、农业、气象等领域的监测技术手段，开辟了我国静止轨道卫星对地观测的新领域[28-31]。

5 高分五号卫星概况、特征及应用

5.1 高分五号卫星概况

高分五号卫星于2018年5月9日发射入轨，轨道倾角与降焦点地方时分别为98.203°、13：30，回归周期为51 d。该卫星的成功发射对环境综合监测的需求和高光谱遥感信息资源的获取具有重要意义[32]。高分五号搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪等6台载荷[33]。荷载具体参数如表6所示。

表6 GF-5卫星6台载荷主要参数

表7 GF-6卫星有效载荷参数

表8 GF-7卫星荷载主要参数

表9 GF-8卫星到GF-12卫星简表

5.2 高分五号卫星特征与应用

高分五号是我国光谱分辨率最高的卫星。在高分五号搭载的6个荷载中，大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪是我国第一个星载超高光谱掩星探测载荷[34]。全谱段光谱成像仪具有谱段范围宽、空间分辨率高、辐射定标精度高等技术特征[35]。

高分五号的高光谱特性在国家污染减排监测、大气成分变化监测、国土资源调查等方面可以发挥重要作用[36]。其中，大气痕量气体差分吸收光谱仪可应用于探测与监测大气中的SO2、O3、NO2、ClO2、HCHO等痕量气体的分布和变化[37]。大气主要温室气体监测仪可用于监测CO2、CH4等温室气体的检测，用于分析大气环境和气候变化[38]。大气气溶胶多角度偏振探测仪可用于探测气溶胶、水色、云、云顶气压、大气水汽等目标[39]。可见短波红外高光谱相机可用于反演植被种类、叶绿素浓度、冰雪粒大小等地面与水体参数，识别地表矿物成分、岩石类别等目标，应用于地质填图、农林变化、灾害监测、水域污染监测、矿藏勘测等领域[40]。大气环境红外甚高分辨率探测仪可应用于分析大气精细成分、大气物理运动和化学过程、气候变化，监测环境污染气体变化等方面[41]。全谱段光谱成像仪可应用于农业、林业、城市、水利、生态环境等领域[42]。

6 高分六号卫星概况、特征及应用

6.1 高分六号卫星概况

高分六号于2018年6月2日发射入轨。该卫星配置了全色多光谱相机与宽幅多光谱相机各1台，其影像空间分辨率、成像性能、幅宽、影像质量等参数与高分一号卫星搭载相机的性能基本一致，设计寿命为8年[43]。

6.2 高分六号卫星特征与应用

高分六号在性能上兼顾普查与详查，具有高度机动灵活性。与高分一号不同的是，高分六号搭载的多光谱宽幅相机和多光谱高分相机突破了单投影中心超大视场成像技术，解决了大型图像需要多张照片拼接处理与多目标成像能力弱等问题[44]。

高分六号增加的“红边”波段能够有效辨别地面作物类型，是我国首颗应用于精准农业服务的高分系列卫星[45]。因此高分六号在农业各相关领域的研究和应用中发挥了非常重要的作用[46-47]。同时，高分六号能有力支撑我国植被资源的调查与防灾减灾救灾等工作，可为乡村振兴、生态文明建设等重大战略的实施提供遥感信息资源[48-49]。此外，基于高分六号卫星影像高分辨率、宽覆盖等特征，其与其他卫星的协同遥感监测不仅能够使灾害识别、灾害评估、灾害救援等防灾减灾工作更有效率，同时也会为我国生态文明建设及时科学地提供相关信息[50-51]。

7 高分七号卫星概况、特征及应用

7.1 高分七号卫星概况

高分七号于2019年11月3日发射入轨，是我国第一颗民用亚米级光学传输型立体测绘卫星[52]。该卫星配备了两台0.8 m分辨率的双线阵立体测图相机与一台激光测高仪[53-54]。高分七号能够为我国乃至全球的地形地貌画出一幅误差1 m以内的立体地图，这使得我国立体测绘技术将迈向世界一流。高分七号的发射成功意味着我国继北斗卫星组网之后，第二大卫星组网工程宣告成功[55]。

7.2 高分七号卫星特征与应用

“高分七号”生成的高分辨率立体测绘数据可为城乡高精度测绘、城市规划等方面提供有力保障[56]。其激光测高数据可反映目标物的长度、宽度、强度等信息，可应用在冰盖、冰架等的变化监测等方面，对提供全球立体地理信息具有重要意义[57-58]。

8 高分其他卫星

8.1 高分一号02、03、04卫星星座

高分一号02、03、04卫星于2018年3月31日以“一箭三星”方式成功发射。该卫星星座是我国首个民用高分辨率光学业务星座。3颗卫星在性能上提高了低辐亮度条件下的信噪比，降低了噪声等效反射率差，使得图像质量相比高分一号得到了一定的提升[59]。

为实现立体成像、指定地区拼接成像等目标高分一号02、03、04卫星星座可根据要求灵活转换运行模式。此外，该星座组网运行后，全球南北纬80°之间区域的重放周期仅需2 d，大幅度提高了高分卫星对山、水、林等自然资源的调查监测能力[60]。该星座同样可广泛应用于农业农村、灾害监测与后评估、生态环境保护、土地覆盖类型变化与地貌类型提取、资源调查、城乡建设、测绘等领域与行业。

8.2 “高分”八号到十四号

2015年6月—2020年12月，我国相继发射了“高分”八号到十四号卫星。其中高分八号、高分九号(包含高分九号02、03、04、05星)、高分十一号(包含高分十一号02星)、高分十三号、高分十四号为光学遥感卫星，高分十号、高分十二号为微波遥感卫星[61]。“高分”八号到十四号卫星皆是我国高分辨率对地观测系统中的卫星，主要应用于国土普查、城市规划、防灾减灾等领域，为我国“一带一路”等重大战略的实施提供有力信息保障[62-64]。

与其他遥感卫星不同的是，高分十一号卫星采用了我国首颗自主研制的宇航级高速图像压缩处理芯片“雅芯-天图”，数传分系统具备了开放式海量数据在轨处理及高速传输的特征，数传能力和处理速度达到国内领先、国际先进水平[65]。此外，高分十一号的中继终端分系统使得高分十一号卫星与中继星之间将在太空中首次实现高速率的数据双向传输[66]。

8.3 高分多模卫星

运行于太阳同步轨道的高分辨率多模综合成像卫星于2020年7月3日在太原卫星发射中心发射入轨。该卫星具备快速动敏捷成像能力，可实现动中成像，多目标、多种观测模式成像[67]。高分多模卫星是我国民用卫星地面分辨率最高的卫星，幅宽达15 km；卫星首次在民用卫星中应用中继数传，可实现应急情况下遥感数据的快速回传；首次试验高低轨大容量激光数据传输的卫星，星间传输速率最高可达5 Gbps。首个采用PPP模式的高分多模卫星是我国空间基础设施重大工程的重要组成部分，该卫星的成功发射运营有益于实现空间基础设施商业化运营。

9 展望

随着遥感技术的发展，高分系列卫星将进一步提高空间、时间、光谱等方面的分辨率，进一步提高定位精度等遥感影像质量参数，形成全天候、全天时、全球覆盖的高效高质量对地观测能力。未来高分家族的卫星及其他平台卫星将协同工作，进一步发挥遥感卫星在生态环境、农业、资源、气候等领域的应用与作用。