中国民用陆地资源卫星在土地资源调查监测中的应用现状与发展建议

刘顺喜， 王忠武， 尤淑撑

(中国土地勘测规划院， 北京 100035)

中国民用陆地资源卫星在土地资源调查监测中的应用现状与发展建议

刘顺喜， 王忠武， 尤淑撑

(中国土地勘测规划院， 北京 100035)

研究目的：总结中国民用陆地资源卫星数据用于土地资源调查监测的应用现状及存在问题，提出发展建议。研究方法：分析中国中巴资源系列卫星、北京一号小卫星、环境与灾害监测小卫星等主要民用资源卫星的技术和应用现状，归纳面临的主要问题，并从规模化应用等角度指出发展建议。研究结果：中国民用资源卫星在土地资源调查监测领域的应用日益广泛，但数据质量问题影响了其应用规模，急需在数据源保障能力、多要素观测能力、多传感器协同能力、多边合作机制等方面全面发展。研究结论：只有提高中国民用资源卫星载荷的各项技术指标，改进数据质量问题，才能有效扩大其在土地资源调查监测的应用领域范围并提升应用规模。

土地遥感；民用陆地资源卫星；调查监测；应用；发展建议

1 引言

在陆地资源卫星30多年的发展过程中，最具代表性的有美国的Landsat系列、IKONOS、QuickBird、GeoEye系列、WorldView系列，法国的SPOT系列，印度的IRS系列和加拿大的Radarsat雷达卫星系列等。此外，欧共体、日本、以色列、俄罗斯亦都有性能很好的资源卫星。从资源卫星发展的历史来看，几个主要拥有资源卫星的国家都非常注意卫星的系列化，形成各自相对独立且比较完善的对地观测系统。各国系列卫星的技术指标循序渐进，不断提高。空间分辨率从低到高，波谱分辨率从少到多，时间分辨率从长到短。空间分辨率在20世纪末每10年提高一个数量级，0.5—5 m空间分辨率已经成为21世纪前10年民用遥感卫星空间分辨率的基本指标。光谱分辨率也在加速提高，已经从20世纪70年代的50—10纳米发展到目前的5—10纳米。时间分辨率(重访周期)也迅速缩短，目前中等空间分辨率卫星的时间分辨率已经缩短到1天以内。

中国民用遥感卫星技术水平与发达国家之间存在较大差距，而且落后于印度等发展中国家。1999年10月14日、2003年10月21日，发射了中巴资源一号卫星(CBERS-01/02)，设计寿命为2年，在轨运行三年多。作为中国第一代传输型地球资源卫星，卫星遥感系统装载19.5 m多光谱CCD相机、77.8/156 m两种红外扫描仪(IRMSS)和258 m宽视场成像仪(WFI)，共有11个谱段，4种不同空间分辨率，以及26天、5天的重复观测周期，通过CCD相机侧摆镜可3天对重点地区进行重复观测。CBERS-02B星于2007年9月19日发射，增加了2.36 m全色CCD相机，2009年5月12日因陀螺故障，不能正常提供高分辨率数据产品。CBERS-03/04星正在研制之中，将装载5 m全色和10 m多光谱的CCD相机。2005年10月27日，中国发射了北京一号小卫星，是中国星地一体化自主经营、可自行控制、快捷地执行遥感任务的现代小卫星，目前在轨运行良好。北京一号小卫星具有多光谱中空间分辨率(32 m)及全色高空间分辨率(4 m)双遥感器独立运行，并有侧摆能力，“北京二号”小卫星正在研制之中，空间分辨率将大幅提升。2008年9月6日，环境与灾害监测小卫星(含A、B两颗卫星，简称HJ-1A/B)成功发射，并构成星座，两颗卫星同时搭载30 m多光谱CCD载荷，单台CCD具有4天重访周期，两台CCD重访周期达到2天，而且A星还具有100 m超光谱成像仪，B星还具有150/300 m红外探测成像仪，设计寿命3年；C星为雷达星，于2012年11月19日成功发射，具有条带与扫描两种工作模式，最高分辨率为5 m，最大幅宽为500 km，设计寿命3年。CBERS系列卫星、北京一号小卫星和HJ-1A/B星座的成功发射为土地资源调查监测提供了新的数据源，进一步改善了长期依赖于国外商用卫星的状况，推动了中国资源卫星事业的发展。

2 应用现状

自CBERS系列卫星、北京一号小卫星和HJ-1A/B星成功发射以来，其数据产品在土地资源调查监测领域得到了广泛应用，取得了丰硕成果。

2.1 CBERS-01/02遥感数据应用

由于CBERS-01/02卫星能提供19.5 m中分辨率、113 km大幅宽的多光谱数据，因而其遥感数据在完整行政辖区的土地利用全覆盖监测方面具有较好的优势。许多学者也正是利用了这一优点，开展了大区域范围的土地利用现状调查、更新调查、变化监测、生态环境等领域研究，取得了较好的应用效果。黄淑娥等[1]利用CBERS-01的CCD数据对贵溪市的土地利用现状进行了调查，其分类精度达86.5%。刘文峰等[2]利用CBERS-01数据，采用计算机自动分类与目视解译相结合的方法，对尉犁县的土地利用情况进行了1∶250000的更新调查。刘爱霞等[3]开展了基于CBERS-01数据的干旱半干旱区土地利用计算机自动分类方法研究，以新疆石河子地区为例，证明CBERS-01遥感数据在土地利用调查中的实用性。杨英莲等[4]利用2000年和2001年两期CBERS-01数据，监测了吗多县的土地利用变化情况。丁晓波等[5]进行了CBERS-02星CCD数据土地利用类型判读和制图试验，表明了该数据可直接用于1 : 100000或更小比例尺的土地利用图件的生产。李玉霞等[6以四川省2000—2004年生态环境动态监测项目为基础，利用CBERS-02卫星遥感图像，查明了研究区2000—2004年期间土地利用/覆盖状况及其动态变化。结果表明，CBERS-02卫星数据可以在土地利用/覆盖动态监测中发挥重要作用，通过与其他遥感资料和实测数据相结合，可以缩短监测周期，降低应用成本。

国土资源部作为资源卫星应用大户，非常重视中国资源卫星的基础研究和产业化应用。2001年开展了“资源卫星应用系统研究”，对CBERS-01的数据质量进行了分析评价；提出了基本满足国土资源管理需求的CBERS-03/04星传感器性能指标建议；开展了CBERS-01数据对土地利用一二级类别识别能力的试验，结果表明，耕地、林地、建设用地和水域等一级地类的计算机自动分类总精度能够到达91%，二级类计算机自动分类总精度能够到达76%，经过一定量的目视后处理，可满足1∶50000和1∶100000土地利用分类制图的要求。2002年开展了“资源卫星应用系统研究和开发”研究，系统分析了国际主流资源卫星的发展策略和阶段性战略演变探讨了影响中国资源卫星发展的各种因素，面向国土资源管理的需求，以土地资源和矿产资源调查为主要应用目标，首次系统地定量分析了国土资源调查对国产资源卫星的技术需求；通过机载成像光谱飞行试验、实地地面同步光谱测试、利用研发的资源卫星数据模拟方法，结合具体应用试验分析与评价，首次提出了基本满足未来5—15年间国土资源应用需求的中国后续资源卫星有效载荷及主要技术指标；根据国际主流资源卫星的发展策略和中国资源卫星发展的特点，首次针对中国资源卫星的整体发展策略和今后需要加强和开展的理论和技术基础研究工作提出了合理化建议。2006年开展了“CBERS-02遥感数据在土地资源调查监测中的应用研究”，对CBERS-02的数据质量进行了分析评价；开展了CBERS-02数据的预处理、信息提取方法和实证研究研究表明CBERS-02数据可满足1∶100000土地利用调查监测制图的要求。2010年使用CBERS-02B星CCD数据开展全国高尔夫球场、新增机场等大宗用地监测，取得了较好效果。

2.2 北京一号小卫星遥感数据应用

北京一号小卫星32 m多光谱数据的幅宽为600 km、60天之内可覆盖全国一次，一般可在半年内获取云量小于5%的全国数据。因此，北京一号小卫星数据可作为全国尺度、区域尺度或流域尺度土地资源调查监测的重要而稳定的数据源。李英成等[7]利用北京一号小卫星32 m多光谱数据在山东省进行了土地利用信息提取能力评价研究，建立了土地利用分类指标，完成了山东全省的1 : 100000土地利用图制作应用示范。王茜等[8]利用2000年的TM数据和2005年的北京一号小卫星数据，对天津市2000—2005年的土地利用变化进行监测，结果表明北京一号小卫星影像光谱信息丰富、纹理结构清晰，整体判读情况良好，能够满足中等比例尺成图要求。牟凤云等[9]利用1984年的TM数据和2005年的北京一号小卫星数据，对北京市2000—2005年的土地利用变化进行监测，结果表明北京一号小卫星数据可以较好地用来进行土地利用信息的提取，在土地利用动态监测方面应用潜力巨大。2007年，国土资源部开展了基于北京一号小卫星数据的全国土地利用宏观监测统计指标和土地利用信息提取方法研究。

2.3 HJ-1A/B遥感数据应用

HJ-1A/B卫星通过双星组网观测，30 m空间分辨率、700 km幅宽的多光谱数据能实现1天重访。理论上来说，相对于CBERS-01/02卫星、北京一号小卫星而言，更具有完整行政辖区甚至全国的快速全覆盖能力，也引起的众多学者的广泛关注。吴海平等[10]对HJ-1A/B CCD数据质量进行分析，利用其数据进行了土地利用宏观监测实验研究，结果表明，该数据能够满足制作1∶100000比例尺的正射影像图的平面精度要求，可用于不大于1∶100000比例尺的土地利用宏观遥感监测。易玲[11]通过对影像目视质量、光谱特性、噪声特征和几何纠正精度等数据质量的分析，构建最大似然、最小距离和马氏距离3种分类器，对研究区域进行土地利用计算机自动分类，研究了小卫星影像的数据质量和土地利用分类精度。结果表明，HJ-1卫星数据质量较好，土地利用分类精度较高，可以在土地利用研究领域成为遥感数据更新的主体。

3 应用技术

由于空间分辨率的限制，CBERS系列卫星数据、北京一号小卫星数据和HJ-1卫星数据在土地利用调查监测的规模化应用，只能定位在宏观尺度上。为了保证土地利用宏观调查监测的必要精度，一般要求制图比例尺为1∶100000。从理论上讲，空间分辨率为20 m的CBERS系列卫星CCD数据、32 m的北京一号小卫星多光谱数据，以及30 m的HJ-1卫星CCD数据，完全可以满足1∶100000尺度的土地利用调查监测制图精度要求。土地利用调查监测遥感应用技术主要包括影像质量评估与应用技术研究、遥感正射影像图制作、土地利用/覆被现状信息提取、土地利用/覆被变化信息提取、外业调查验证、专题图件制作等环节。

3.1 影像质量评估与应用技术

通常情况下，从地面处理系统获得的CBERS系列卫星数据、北京一号小卫星数据和HJ-1卫星数据为经过辐射校正、系统几何校正的2级产品。为了全面了解该影像的质量和特点，需开展几何定位精度、辐射特定评价(噪声水平、信息量与清晰度、条带噪声水平等)、波段匹配程度、内部几何畸变等质量评估。同时，为了保证后期正射影像图制作、专题信息提取等步骤的精度，还需开展不同尺度不同目标识别的最佳波段选择方法、不同类型图件与不同分辨率图像几何校正方法、不同分辨率影像融合方法、多时相国产资源卫星遥感数据相对辐射校正方法、土地利用现状/变化信息半自动提取方法等应用技术研究。 建立卫星影像质量评估和土地调查监测应用潜力评价指标体系、评价模型、评价方法和评价系统，支撑新型卫星在轨应用测试评价、卫星生命周期内数据质量退化状况评价，以及卫星数据进入土地调查监测业务系统的前端质量评估。

3.2 遥感正射影像图制作技术

以大于正射影像成图比例尺的地形图或已有正射影像图为基础控制资料，辅以DEM数据，先对CBERS系列卫星CCD传感器、北京一号小卫星多光谱传感器或HJ-1卫星CCD数据的某一波段数据进行正射校正，再将其他波段的数据与校正后波段数据进行影像配准；按照生成模拟真彩色的原则，选择波段进行彩色合成；对彩色合成影像进行镶嵌、分割和整饰，形成标准分幅正射影像图。

当工作区涉及多景数据时，对重叠带进行严格配准，镶嵌误差不低于配准误差。镶嵌影像应保证色调均匀、反差适中，接边时应保证有10—50个像素的重叠带。接边误差，要求平原及丘陵地区不超过1个像素，山区不超过2个像素。镶嵌时，在两幅图上选取多个控制点，利用已知控制点坐标和最小二乘法求得坐标变换方程的系数，从而实现几何重定位和灰度重采样的方法；然后进行亮度和反差调整，以保证拼接后的图像反差一致，色调相近，避免出现较明显的视觉差异。业务化和规模化土地调查监测正射影像图制作技术系统要求具有大区域影像快速正射校正、高精度自动配准、高保真融合与真彩色匀光、高效率自适应镶嵌、并行批量和协同处理等功能，能实现完整行政辖区土地利用遥感影像图的快速制图。

3.3 土地利用/覆被现状信息提取技术

土地利用/覆被现状信息提取技术可分为两大类：基于像元的信息提取技术和面向对象的信息提取技术。前者为传统的方法，如最大似然法、最小距离法等，通常先建立地物遥感解译标志，然后采用自动分类、人机交互和野外验证相结合的流程进行土地利用/覆被现状信息提取。后者代表了遥感信息提取的发展方向。面向对象方法首先将预处理后的遥感图像进行区域分割，使分割后的对象或基元满足下一步分类或目标地物提取的要求；再选择目标地物特征(一般为特征组合)；然后结合专家知识及其他信息进行图像分类或目标地物提取；最后将分类结果或目标地物提取结果成图。土地利用/覆被现状信息提取技术系统要求具有现状信息高精度识别、高效率提取、识别精度自动评价等功能，主要识别精度优于85%。

3.4 土地利用/覆被变化信息提取技术

基于两期正射影像图变化信息提取的常用方法主要有影像叠加分析法和多时相直接分类法。前者是使用同一地区不同年代的卫星影像的叠加技术，可在大范围内迅速发现土地利用变化区域。后者是先将多时相遥感数据组合成一幅单一图像，然后再对包含了多时相信息的图像进行监督分类，以减少夸大变化的程度，获取较为准确可靠的变化探测结果。土地利用/覆被变化信息提取技术系统要求具有变化信息自动发现、高效率提取、提取精度自动评价等功能，主要变化信息自动发现正确率优于80%，伪变化率小于20%。

3.5 外业调查验证技术

通过外业调查确定提取的土地利用/覆被信息的真伪、类型、范围，并评价信息提取的相关精度。一般采用典型抽样方法进行外业调查验证。外业调查验证技术系统要求具有内外业数据快速交换、外业信息高效采集成果质量自动控制等功能。

3.6 专题图件制作技术

在正射遥感影像图上，叠加提取的土地利用/覆被信息，并加注行政界线、地名等信息，经图廓整饰形成专题遥感影像图。图件制作技术系统要求具有制图模板定制、要素便捷修改、批量制图处理等功能。

4 问题与建议

4.1 存在问题

近年的应用研究表明，与国外成熟的资源卫星相比，中国民用陆地资源卫星在与应用相关的有效载荷技术指标和影像质量等方面存在明显不足，严重影响其在土地资源调查监测中的规模化应用。

(1)国产卫星数据的质量不高，卫星的性能不强。中国遥感卫星较发达国家起步较晚，加上西方国家在高技术领域的封锁，致使中国卫星数据质量和卫星性能较国际上同类卫星相比存在较大差距。另外，国际上不论是美国、还是法国等其他国家，每研制一颗卫星，均要结合应用开展大量的地面模拟仿真工作，确保卫星在轨的各项技术状态指标处于最佳状态，保证良好的图像质量。而中国在卫星上天前，对地面的模拟仿真工作不够重视或工作没有做到位，致使卫星数据的质量不高，卫星的性能不强。

(2)国产资源卫星数据与国外同类卫星数据相比，在绝对定位精度、波段间匹配精度、内部几何畸变等几何定位方面有很大差距。国外高分辨率卫星数据的绝对定位精度一般在3—10 m之间，波段间匹配误差一般小于0.3个像元，内部几何畸变一般小于1个像元；而国产资源卫星数据的绝对定位精度目前一般在30—500 m之间，波段间匹配误差一般在1—3个像元，甚至10多个像元，内部几何畸变一般在2—3个像元。处理国外卫星数据简单、效率高，精度很容易满足土地调查监测规程的要求；而处理国产卫星数据，需人工选取大量控制点效率很低，而且精度难以满足土地调查监测规程的要求。

(3)图像清晰度不够，地物信息量低，有模糊感，很难通过技术处理工艺有效解决，影响了其在地物识别和制图方面的应用效果。主要影响因素是一方面条带和噪声点太多，另一方面由于光学系统的MTF值偏低，导致影像的反差低而模糊、数据动态范围过窄、影像层次较差，影像量化值普遍为8比特，无法满足精细记录土地利用/覆被要素信息的要求。

(4)缺乏摄影瞬时相机位置及各方向的角元素、采用的椭球投影参数、景中心点及四角点的经纬度，太阳高度角、太阳方位角、摄影时间等必要参数，以及严密的成像数学方程式，目前为止没有推出与国产卫星传感器对应的正射纠正模型与软件模块，无法实现国产卫星数据正射影像图快速高精度生产。

4.2 发展建议

(1)加强影响图像质量及其应用的卫星技术指标论证，提高国产遥感卫星数据质量和卫星性能。开展卫星平台稳定度对图像质量影响分析研究，从图像质量满足土地资源调查监测应用需求出发，论证确定卫星平台稳定度的合理指标。从区域数据覆盖能力出发，研究提出灵活机动的在轨成像工作模式。分析卫星载荷的空间分辨率、光谱分辨率、辐射分辨率、波段间配准误差、内部几何畸变、图像压缩算法和压缩比等技术指标对土地资源调查监测业务应用的影响，研究提出合理的卫星载荷技术指标。

(2)研发针对国产卫星数据特点的土地资源调查监测业务化技术系统。重点研发本文提及的影像质量评估与应用评估、遥感正射影像图制作、土地利用/覆被现状信息提取、土地利用/覆被变化信息提取、外业调查验证和专题图件制作等技术系统，实现国产资源卫星数据在土地资源调查监测工作中的规模化应用。

(3)加强雷达遥感应用研究。土地资源调查监测工作涉及的领域众多，任何单一类型的资源卫星数据都难以满足规模化应用的需求，综合利用来自不同资源卫星系列、不同传感器类型的遥感数据是土地资源调查监测卫星遥感技术应用的长期策略和方针，可以有效地发挥各种遥感技术的优势、弥补单一数据信息量不足给实际应用带来的困难。雷达遥感不受天气影响，具有全天候、全天时的观测能力，可作为中国多云、多雨、多雾的西南等地区难以获取光学影像的有效数据源。

(4)多边合作，共同发展。除了国内政府投资外，吸纳企业和国际投资者的资金，通过多边合作共同发展资源卫星是一种可行模式。一方面除了政府应增加对发展资源卫星的投资外，应鼓励地方政府、部门和民营企业参与投资或从资本市场上筹集资金；另一方面加强国际合作，积极参与国际空间对地观测系统发展计划，尽可能利用国外技术和资金，提高中国资源卫星研制水平和应用水平。

（References）：

［1］ 黄淑娥，张建萍.中巴地球资源卫星资料在贵溪市土地利用现状调查的应用分析［A］ .中巴地球资源卫星应用研究文集［C］ .北京：中国宇航出版社，2003：256 - 260.

［2］ 刘文峰，高敏华，肖继东.中巴卫星遥感资料在土地资源遥感调查中的应用［J］ .新疆气象，2003，26(5)：23 - 26.

［3］ 刘爱霞，刘正军，王长耀，等.基于CBERS-1图像的干旱半干旱区土地利用分类［J］ .中科院研究生院学报，2003，20(3)：12 - 18.

［4］ 杨英莲，伏洋.CBERS-1数据在土地利用监测中的应用［A］ .中巴地球资源卫星应用研究文集［C］ .北京：中国宇航出版社，2003：261 - 263.

［5］ 丁晓波，李英成.资源一号卫星02星CCD数据应用评价分析［R］ .资源一号卫星02星(CBERS-2)在轨测试报告，2003：499 - 507.

［6］ 李玉霞，李丽，郑泽忠.CBERS-02图像在土地利用/覆盖动态监测中的应用［J］ .四川师范大学学报(自然科学版)，2006，29(5)：627 - 630.

［7］ 李英成，薛艳丽，王广亮，等.北京一号小卫星数据土地利用信息提取能力分析［J］ .遥感信息，2006，(6)：43 - 46.

［8］ 王茜，张增祥，刘斌，等.北京一号小卫星数据在天津市土地利用动态变化监测中的应用［J］ .遥感技术与应用，2006，21(6)：502 - 506.

［9］ 牟凤云，张增祥，刘斌，等.基于TM影像和北京一号小卫星的北京市土地利用变化遥感监测［J］ .生态环境，2007，16(1)：94 - 101.

［10］ 吴海平，刘顺喜，黄世存.基于HJ-1A/B卫星CCD数据的土地宏观监测试验研究［J］ .遥感技术与应用，2009，24(6)：788 - 792.

［11］ 易玲，汪潇，刘斌.HJ-1卫星数据质量及其在土地利用中的应用研究［J］ .国土资源遥感，2009，(3)：74 - 77.

（本文责编：陈美景）

Status and Suggestions on Applying Domestic Civilian Satellites to Land Resource Survey and Monitoring

LIU Shun-xi, WANG Zhong-wu, YOU Shu-cheng
(China Land Surveying and Planning Institute, Beijing 100035, China)

The purpose is to summarize current status and problems of applying the domestic civilian satellites to land resource survey and monitoring and to suggest its future development. The contents include 1) an overview of the situation on applying the three main domestic civilian satellites (CBERS, BJ-1, and HJ-1); 2) analyzing the problems; and 3) providing suggestions for a broader-scale application. The results show that remote sensing data has been used more and more deeply in land survey; however the qualities affect its large-scale application. Therefore enhancing data support capability, multi-element observing capability, multi-sensor assimilation capability, and multi-lateral cooperation mechanism are needed. Conclusions are that the application field and scale of domestic civilian satellites use in land resources survey and monitoring can be effectively promoted by improving the technical indicators of all payloads and data quality.

land remote sensing; civilian satellite; survey and monitoring; application; suggestions

TP751

A

1001-8158(2013)04-0091-06

2011-08-16

2011-12-05

国土资源高分应用示范系统先期攻关项目(E0202/1112)；国家科技合作专项国家耕地资源功态监管系统核心技术引进与合作研究项目(2012DFA20930)。

刘顺喜(1961-)，男，甘肃天水人，博士，研究员。主要研究方向为土地遥感。E-mail: shunxiliu@163.com