“高分四号”卫星观测能力与应用前景分析
2017-04-11王殿中何红艳
王殿中 何红艳
(北京空间机电研究所,北京 100094)
“高分四号”卫星观测能力与应用前景分析
王殿中 何红艳
(北京空间机电研究所,北京 100094)
“高分四号”卫星是中国高分辨率对地观测系统重大专项工程中首颗地球同步轨道遥感卫星,也是目前世界上地球同步轨道上第一颗高分辨率遥感卫星,它具有较高空间分辨率、极高时间分辨率、多种谱段选择、广阔的观测范围等特点。为使“高分四号”卫星充分发挥观测能力,成为灾害监测以及防灾减灾的有效工具,文章对应典型遥感应用,总结归纳出了五种观测模式,分别是凝视模式、跟踪模式、巡航模式、签到模式、夜间模式,并分析给出各种模式下相应的观测策略。文中还以现有国产遥感卫星为例,讨论了影响“高分四号”卫星应用的两种重要因素,即数据连续性和数据稳定性,其中针对巡航模式对数据连续性的潜在影响提出了“高分四号”卫星在轨使用建议,针对数据稳定性提出了一种评价模型。该文对于有关方面应对多种观测需求、合理使用“高分四号”卫星在轨观测能力具有一定参考价值。
“高分四号”卫星 观测能力 地球同步轨道 高分辨率 航天遥感
0 引言
我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一,自然灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失重[1]。进入21世纪以来,地震、滑坡、泥石流、低温雨雪冰冻等灾害影响进一步加剧,台风、洪涝、干旱等灾害持续多发,突发性巨灾时有发生。为更加及时有效地应对重大自然灾害,迫切需要增强对地观测能力及其应用水平[2]。目前我国已经自主拥有了包括“资源一号”卫星、“资源三号”卫星、“环境一号”卫星、“实践九号”卫星以及“遥感”、“快舟”、“高分”等多个星座或系列的陆地环境与资源观测数据的获取能力。截至2015年底,中国陆地遥感卫星数据分发量累计超过1 000万景,在国土资源调查、环境保护监测、减灾防灾等领域得到广泛应用[3]。应用部门和研究单位统筹利用国内外数据资源,开展了洪涝、干旱、地震、滑坡、泥石流、冰雪、火灾等各类灾害的遥感监测与评估工作,在上述卫星及其有效载荷数据的应用模式、方法等方面积累了丰富的应用经验[4-9]。但是上述卫星,包括广泛使用的国外陆地卫星均属于太阳同步轨道卫星,无法不间断地对一个区域进行连续监视。为此,必须发展地球同步轨道高分辨率成像卫星。这类卫星在地球同步轨道运行周期等于地球自转周期[10],理论上可覆盖全球近1/3的面积,能快速对关注区域进行成像响应服务[11]。但是此前的地球同步轨道卫星由于空间分辨率较低,只能应用在气象或海洋、海岸带观测中[12]。“高分四号”卫星的空间分辨率有了很大突破,较之前世界上分辨率最高的COMS卫星(Communication Ocean Metrology Satellite)提高了一个数量级,是目前世界上空间分辨率最高的地球同步轨道卫星。为了充分发挥其观测能力,提高监测预警和应急处置效率,本文根据 GF-4特点,总结归纳了几种观测模式,分析了每种模式对应的应用前景,并对数据连续性和数据稳定性等影响卫星应用的关键问题做了进一步探讨。
1 观测能力
“高分四号”卫星的成像载荷是一台凝视相机,相机的主要指标如表1所示。该相机配备了国际上地球同步轨道口径最大的可见与红外一体化光学镜头,同时具有多光谱和红外成像能力,其中可见光近红外通道包括5个谱段,可以获取星下点优于50m地面像元分辨率的图像,红外通道为中波红外成像,可获取优于400m地面像元分辨率的图像。
表1 “高分四号”卫星凝视相机主要技术指标Tab.1 Specification of GF-4 camera
相机配备了大规模面阵CMOS探测器和大规模面阵红外探测器,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 400km×400km的成像幅宽。而且,不限于观测固定区域,卫星可以根据工作指令调整观测指向,从而大大增加对地观测能力,完成对中国及周边陆海区域的观测。
由于“高分四号”卫星运行在地球同步轨道,使得以较高时间分辨率对目标进行重复观测成为了可能。两个通道中,中波红外重复观测间隔只需要1s;而可见光近红外通道有两种重复观测的方式,一种是通过单谱段连续成像,此时重复观测间隔只需要5s;另一种是全谱段连续观测,具体实现方式为首先B1谱段成像,用时为5s,然后需要10s切换到B2谱段成像,5s后再切换,以此类推。要形成一幅包括全部5个谱段的全色多光谱图像大约需要75s,这就是多谱段观测方式下实现重复观测的周期[13]。
“高分四号”卫星相机还可以通过积分时间调整技术控制曝光时间。利用这一功能,相机既可以看清低亮度地物,同时也能对高亮度的云成像,有效地为灾害监测服务的同时获取高品质的气象云图,为气象预报提供数据支持。
2 “高分四号”卫星观测模式与应用潜力
观测模式对于发挥卫星能力有很大影响。由于观测现象并不相同,对同一卫星而言,当采用不同的观测模式,会有不同的效果。相比大多数的太阳同步轨道卫星只有一种观测模式——天底点成像而言,“高分四号”卫星可选择的观测模式要丰富一些了,其中凝视模式和巡航模式从立项论证阶段就受到了关注。随着应用和研究的加深,又衍生出了签到模式等新的观测模式,以满足不同情况下的实际需求。
2.1 模式1——凝视模式
地震、滑坡灾害的发生往往具有突发性,并且伴随一系列的次生灾害,使居民地、生命线、基础设施等遭受严重破坏,同时对于灾区遥感监测的实效性要求达到小时级,“高分四号”卫星可以保持卫星姿态指向,对已知位置进行短时持续成像,称作凝视模式。一颗卫星就能够不间断地对一个区域进行连续监视,显著增强区域持续监视能力,而如果是利用极轨卫星监测,只有足够多的卫星组成星座才能满足如此高的实效性需求。除了地震监测,这种模式还可以满足森林火灾等热点地区进行的应急监测之需,因为在林火或草原火灾探测应用方面,主要定位于重点区域灾前的林火预警或者受灾区灾中的火情监测和灾后的损失评估,对数据的快速获取和信息快速提取需求。“高分四号”卫星的红外通道对森林火灾较敏感,而且1s的成像能力可以满足火灾观测时间分辨率较高的需求。在林火预警方面,“高分四号”卫星还可以满足对森林可燃物长势、湿度等信息的监测。
在使用中波红外通道监测的同时,可以同时使用可见光近红外通道成像,获得多光谱图像。由于谱段切换会使成像间隔拉长,因此凝视模式下建议采用全色谱段连续成像,帧频5s,50m的空间分辨率预计能够捕捉10m/s以上的快速变化。这种方式光谱信息单一,但是不涉及波段切换,能够最大程度实现地球同步轨道卫星系统凝视成像的时间采样能力。
对于变化缓慢的下垫面,凝视模式下获取的连续图像由于时间间隔以秒计,可以认为成像链中各种因素保持恒定,可以利用不同帧之间的微小错位处理,提升分辨率(图1)。采用这种方法,理论上图像空间分辨率最大可以提升1倍。
2.2 模式2——巡航模式
地质灾害、旱涝灾害或森林草原火灾发生往往具有一定的潜伏期,需要对全国的下垫面进行持续观测并进行风险评估,因此对于遥感的大范围监测能力提出了较高需求。“高分四号”卫星通过调整卫星姿态能够变化观测指向,因此可以按照一定的顺序,依次对整个成像区域进行遍历观测,这种模式称作巡航模式。
由于在巡航模式下观测时间相对充裕,“高分四号”卫星可以对每个分区采取全谱段成像的方式获取完整的光谱信息。考虑到帧频、谱段切换和调整指向的时间,完成一轮对中国及周边陆海区域的巡航成像并获得整体的镶嵌拼图,仅需两天。为全国范围内的这些灾害致灾因子的更新和灾害的防范提供及时的信息。从时效性上显著优于现有的陆地卫星。
考虑到中国及周边的空间范围广阔,可以考虑对空间范围进行分块观测,例如基于“高分四号”卫星的单景幅宽,在保证一定重叠的条件下,可以将其监测范围统一划分为若干个区域并编号,如图2所示。区域编号管理的优势在于可以将成像空间区域简化映射处理,可适应应急观测下的快速操作需求。
2.3 模式3——跟踪模式
由于“高分四号”卫星通过调整卫星姿态能够变化观测指向而且帧频高,因此具备对已知初始位置的移动目标进行跟踪观测的能力,这种观测模式可称作跟踪模式。以洪涝灾害为例,在应急、救灾阶段要求有很高的时效性,一般以灾害发生后3h甚至更短的时间内获得灾区信息。太阳同步轨道卫星往往无法满足如此高的时间分辨率需求。“高分四号”卫星可以在很大程度上缩短数据获取的周期,在极短的时间内为灾害应急救助提供数据与信息支持。当洪峰形成后,随时间推移,洪峰会逐渐向下游移动,路径是已知的,“高分四号”卫星可以较为方便的实现大江大河全流域水情监测,在汛期可以为管理机构开展流域水情监测服务。
监测对象的移动路径也可以是未知的。图3展示了“高分四号”卫星对2016年第1号台风“尼伯特”在西北太平洋洋面生成后向我国移动情况的监测,其中左图获取于7月6日14:07,此时台风区位于菲律宾群岛东侧,距离我国国境线较远,而到了7月7日14:02,台风区已经抵达了我国国境线,波及我国台湾地区。这种跟随运动目标的观测模式,可以为灾害预警和灾害应对提供及时的数据支持,具有重大社会和经济价值。
跟踪模式下,可以根据观测对象的光谱特征或空间变化快慢灵活选择观测谱段,例如根据洪涝评价中使用的水体指数指标[14],选择绿和近红外谱段成像,而跳过其他谱段。而在气象观测中,由于云反射率高,需要调低成像积分时间,使图像灰度不饱和,以保证观测到云的纹理,开展三维结构等进一步的分析。对于空间变化幅度极大的目标,为了保证跟踪成功,需要指令链路有较高要求的时效性。
2.4 模式4——签到模式
一旦出现应急观测启动模式1客观上就没有足够的时间完成完整的模式2成像,但“高分四号”卫星可以在每天用一定的时段保证重点目标区域的周期性成像,从而实现长期对某一地区进行跟踪观测[15]。这种对已知位置进行每天一次的监测,可称作签到模式。
由于目标区域少,这种观测的时间相对充裕,监测时可见光近红外通道可以采取全谱段单次成像的方式获取完整的光谱信息,即一次对5个谱段各成一幅图像。2016年2月3日,首批发布的“高分四号”卫星图像中就有不同日期获取的北京地区图像(图4)。有雾霾与无雾霾的情况在图像中形成鲜明对比。这种模式的周期不限于一天,也可以根据观测需求灵活选择,观测对象不仅限于大气污染,对于水污染、生态环境变化及特定关注目标的监测和研究也具有良好的应用前景。
2.5 模式5——夜间模式
“高分四号”卫星设置了中波红外通道,因此可以进行夜间观测,可称为夜间模式。对于夜间发生的地震等突发事件监测非常关键。另外,中波红外本身属于发射红外,但是物体也有少量的能量反射,只不过物体的热辐射能量大于太阳的反射能量[16]。因此,在日间观测的信号包含了反射能量,而在夜间观测就不存在这个问题,获取的全部是地球自身发射的能量。由于“高分四号”卫星具有这种全天时成像能力,通过反演日间和夜间数据,可以获取相应的亮温信息,对于地球系统科学研究和理解区域尺度的地表热交换过程具有重要价值。
3 影响遥感卫星数据应用的两种重要因素
3.1 数据连续性
遥感卫星数据的连续性是指某类卫星数据在轨能够获取的连续时间跨度,是开展遥感地表长时间变化研究的基础。通常是由单颗卫星在轨寿命决定的,如果首颗卫星上的某种传感器在后续星中仍然搭载,则其数据连续性就得到了延续,可以有效克服单颗卫星在轨工作时间短的问题,例如十余年前先后发射的中巴“资源一号”01/02/02B三颗卫星可以使数据连续性达到10年,从而超过目前国产卫星设计寿命最长8年的技术约束。
在文献[17]研究的基础上,本文对世界上有陆地遥感卫星以来的各种数据连续性情况进行了统计更新(见表2)。
应当注意到,在上文中述及的各种观测模式中,没有应急任务安排的情况下,巡航模式可能是服务用户的主要模式,但是相比凝视观测模式,这种模式涉及到频繁使用活动机构,根据经验,活动机构失效是引起卫星在轨失效的重要因素,因此如果采用该模式成像,建议能够酌情控制观测频次,这样从长期来看是有利于保证或延长卫星在轨寿命,从而得到较长的数据连续性。
3.2 数据稳定性
遥感数据定量化可以推动遥感数据应用的深入开展。卫星图像上所有像元的灰度值都对应着地物的物理属性,可以反演计算。我国已经针对遥感卫星可见光-近红外和热红外波段有效载荷特点,利用国家级辐射校正场试验数据开展了在轨场地定标算法研究,形成了适合同类卫星载荷在轨普适性场地定标算法流程[18]。
但是由于包括器件性能退化在内的复杂因素的影响,定标参数在不同时间会发生变化,通过定标参数变化快慢可以评价遥感卫星数据的辐射稳定性[19]。因此,本文通过定标系数的比值定义简单增益指数(Simple Gain Index,SGI)和归一化增益指数(Normalized Difference Gain Index,NDGI)。
式中 GT,GT+1分别为卫星图像在T时刻与T+1时刻的增益,以下同。
表2 世界光学卫星数据连续性Tab.2 World optical satellite data continuity
由于传感器性能的衰减,通常情况下后一次定标增益 GT+1在数值上不小于前一次定标增益 GT。因此SGI和NDGI取值都在0~1之间,SGI越接近于1,相应的NDGI越接近0,说明定标系数变化越小,即数据稳定性好。反之,SGI越小,NDGI越大,说明数据稳定性差。
应用式(1)和式(2),对“资源一号”02C星和“资源三号”卫星2012和2013两年的定标系数进行计算,得到两颗卫星的简单增益指数与归一化增益指数,如表3、表4所示。
表3 “资源一号”02C星简单增益指数与归一化增益指数Tab.3 SGI and NGI of CBERS 02C satellite
表4 “资源三号”卫星简单增益指数与归一化增益指数Tab.4 SGI and NGI of ZY3 satellite
从两种指数综合来看,可以发现两颗卫星均有个别谱段的定标系数变化幅度超过 5%。而几乎同期发射的Pléiades 1B卫星和SPOT 6卫星在轨初期的绝对辐射定标系数各谱段均没有显著变动[19],在卫星数据稳定性仍有提高空间的情况下,后续应该增加定标频次,并研究改善定标精度。“高分四号”卫星作为目前世界上地球同步轨道上唯一一颗高分辨率遥感卫星,其定标更有研究价值。
前面仅结合观测模式介绍了部分具体应用,由于对地球同步轨道高分辨率遥感刚刚实现,还存在一个认识过程,其最终的应用种类不只限于地震、洪涝、台风、林火等灾害的应急监测,随着新需求的出现、以及诸如定标工作的开展和分辨率提升等技术的改进,“高分四号”卫星应用潜力预期将得到进一步的挖掘。
4 结束语
“高分四号”卫星是目前世界上地球同步轨道上第一颗高分辨率遥感卫星,在空间、时间和光谱维均具有很强的观测能力。本文结合卫星载荷特点与部分应用需求,归纳总结了五种观测模式,希望能够对于有关方面应对多种观测需求、合理使用“高分四号”卫星在轨观测能力发挥一定参考作用。
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Session #3, Spotlight Session. Louisville: 2014.
Observation Capability and Application Prospect of GF-4 Satellite
WANG Dianzhong HE Hongyan
(Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China)
GF-4 satellite is the latest member of China’s high-resolution earth observation system (CHEOS) and the first high resolution remote sensing satellite at geostationary orbit in the world. In this paper, its observation capabilities in spatial, temporal and spectral dimensions are introduced. To take full advantages of these capabilities five operation modes are proposed, i.e. staring mode, cruising mode, sign-in mode, tracing mode, and night mode. Each mode is illustrated by at least one civil application case together with operation recommendation. Furthermore, two issues i.e. data continuity and data stability are discussed which play important roles in satellite data application. Pertinent on-orbit operation suggestions are proposed to ensure data continuity, and evaluation models are also proposed for data stability. This paper could help in rational use of the satellite and satisfy multiple observation needs.
GF-4 satellite; observation capability; geostationary orbit; high resolution; space remote sensing
P236
: A
: 1009-8518(2017)01-0098-09
10.3969/j.issn.1009-8518.2017.01.013
王殿中,男,1979年生,2008年获中国科学院遥感应用研究所地图学与地理信息系统专业博士学位,高级工程师。研究方向为光学遥感器成像质量预估与评价。E-mail:drgnw@163.com。
(编辑:庞冰)
2016-04-21
高分辨率对地观测系统重大专项(50-Y20A07-0508-15/16)