高分四号卫星运行策略及灾害监测应用

2022-01-20庄超然史小金曾湧王静巧

卫星应用 2021年12期

文|庄超然史小金曾湧王静巧

中国资源卫星应用中心

一、前言

我国大部分极轨民用陆地观测卫星轨道位于400~800km范围内，回归周期较长，虽然卫星可通过姿态调整，快速机动至目标区域。但受卫星运行轨迹及侧摆能力的限制，难以满足灾害监测的时效性需求。高分四号（GF-4）卫星为地球同步轨道卫星，具备较高空间分辨率、载荷类型多、机动性强、幅宽范围大、成像迅速等特点，可在灾害前期预警、灾时辅助决策等业务开展上提供重要支撑。以林火、台风等监测任务为例，在林火监测任务中GF-4 卫星的可见近红外通道可以较好地反映植被覆盖、过火区域和烟区等信息，同时中波红外波段对热辐射信息敏感，可以较好地应用于着火点的提取判别、火势状况分析。在台风监测任务中，GF-4 卫星通过可见近红外通道对风眼处持续监测，辅助判断台风大小变化及运动趋势。

目前GF-4卫星在轨运行稳定，中国资源卫星应用中心通过在各类自然灾害应用实践，逐步构建了卫星的运行策略及灾害监测应用体系，形成与业务需求联动、以需求为导向的成像特点，本文根据卫星载荷及轨道特点，介绍GF-4卫星在轨运行策略，针对卫星应用实践情况，围绕灾害监测、应急管理的要求，提出未来GF-4卫星的应用方向和发展建议。

二、高分四号卫星性能

GF-4卫星于2015年12月29日在西昌卫星发射中心成功发射，是我国第一颗地球同步轨道遥感卫星，通过指向控制，实现对中国及周边地区的观测。作为世界首颗地球静止轨道中高空间分辨率光学遥感卫星，兼具地球同步观测、中高空间分辨率成像优势，具有全色、蓝、绿、红、近红外、中波红外 6 个波段，星下点空间分辨率达 50m（可见光近红外波段）、400m（中波红外波段），可提供快速、高频次、中空间分辨率、大幅宽对地观测光学遥感数据，在支撑日常条件数据获取基础上，凭借其快速响应能力强的优势，在应急数据获取中发挥作用。

GF-4卫星为我国减灾、林业、地震、气象等应用提供了快速、可靠、稳定的光学遥感数据，为灾害风险预警预报、林火灾害监测、地震构造信息提取、气象天气监测等业务补充了全新的技术手段，开辟了我国地球同步轨道高分辨率对地观测的新领域。其载荷见表1，卫星覆盖范围如图1所示。

图1 GF-4卫星覆盖范围示意图

表1 GF-4卫星载荷相关参数

三、高分四号卫星运行策略

GF-4卫星常规观测模式主要有定点凝视、巡查模式、区域成像模式。定点凝视可实现对一个目标多次监视；巡查模式对不同位置的两个点目标，通过侧摆实现轮巡监视；区域模式为对区域范围超过一景卫星图像的大区域实现观测。常规情况时，卫星可实现两天对全国覆盖，定期对全国广域监测。在森林火灾易发季节，针对火灾易发区域进行轮巡监测。突发灾害监测时，采用GF-4卫星快速调度及高低轨卫星联合拍摄等策略。

1.常规任务观测

常规任务中，综合各类用户的成像需求，提高卫星成像效率，进行全国区域成像。全国成像覆盖示意图如图2所示。实际运行过程中会结合卫星使用约束，在无特殊任务时，每天采用可见光近红外+中波红外模式拍摄全国的绝大部分区域，两天联合实现对全国区域完整成像。

图2 GF-4卫星全国成像覆盖示意图

2.轮巡拍摄

在森林火灾易发季节，针对火灾易发区（如大兴安岭地区、云南森林地区等），将全国分为东北、华北及东南火险监测区域，结合全国森林火险气象预报图，根据卫星成像约束，GF-4卫星每日对高风险区域进行轮巡拍摄，一天安排5～6次高频密集拍摄。在每天的4时、10时、13时、16时、20时左右进行高风险区域成像。其中凌晨和傍晚（4时、20时）时使用中波红外模式进行成像，白天时间段采用可见光近红外+中波红外模式进行成像，在满足高风险区域轮巡拍摄的基础上，剩余拍摄资源继续进行全国区域成像。以2021年4月末为例，GF-4卫星成像安排如图3所示。

图3 GF-4卫星成像安排示意图

通过GF-4卫星对高风险区域进行轮巡拍摄，可针对性地对潜在森林火灾区域定时获取数据，及时发现灾情，为救灾提供依据。同时在森林火灾发生时还可根据卫星使用约束进行加密观测。通过在轨民用陆地观测卫星资源，实现对灾害事件全过程跟踪监测。

3.快速调度

现阶段各行业各用户均对自然灾害监测提出了大量的需求，而自然灾害具备突发性和不可预知性。灾害发生后需要及时做好应急资源的整合和筹划，以满足应急任务的实际要求。

以台风这类能初步预知的灾害为例，可提前预留合适的成像窗口，确定任务观测策略（模式、频率、时长）。调整常规成像任务，提前通知测控和接收单位做好应急上注和数据接收准备工作。该情况可以最快调度卫星资源，及时成像，充分发挥卫星使用效能。应急任务当天，成像前30分钟至1小时获取点位经纬度信息，制定应急成像计划。

突发事件（森林火灾等）时，需要与星上已有任务相结合，快速定位空余时间段，判断是否具备合适的空余时间段进行应急指令插入成像。若具备，可直接进行应急任务成像，确认可以拍摄的频次、时长等，与用户沟通，制定应急成像计划；若不具备，则需要分析卫星工作状态。如果卫星在关机状态，可直接生成删除指令。如果卫星在成像期间，定位无成像时间点，生成精确的时间点删除指令后，确认卫星指向正常，制定应急成像计划。

GF-4卫星灾害监测快速调度中需求分析包括：①确定观测目标类型，包括单点、多点、区域等目标类型；②确定观测模式，包括单谱段、全谱段、红外等模式；③确定观测频次和多次成像的时间间隔。

灾害监测快速调度全流程链路如图4所示。

图4 GF-4卫星灾害监测快速调度全流程示意图

4.高低轨卫星联合拍摄

灾害发生前（灾前历史数据）：气象条件良好时使用光学卫星成像，气象条件较差或夜间时，采用合成孔径雷达（SAR）卫星成像，积累数据。

灾害开始时：结合已积累的卫星数据，使用GF-4卫星对区域进行大范围、高频次、多谱段持续成像，及时获取目标的中低分辨率影像及粗定位。

灾害过程中：根据GF-4卫星已获得的粗定位信息，极轨卫星在特定时间窗口对目标区域获取高分辨率遥感影像。及时生产标准数据产品，同时可根据不同需求生成特定产品。

灾害过程中：根据极轨卫星已获得的信息，GF-4卫星进行补充或加密观测，高频次、长时间、大范围成像。动态监测事件发展情况，引导极轨卫星拍摄，为应急救灾决策提供辅助支撑。

根据灾害的进行程度，高低轨卫星可以适时、多次相互引导，联合拍摄。展现民用陆地观测卫星信息在灾害支援方面的作用。

四、典型案例

1.轮巡拍摄应用案例

2019年3月29日下午，山西省长治市沁源县发生森林火灾，着火区域为山地地形，植被以油松为主，茂密易燃，因春季气温升高、气候干燥且风速较大（风力最大达8级左右），对灭火扑救工作造成困难。灾害发生前，中国资源卫星应用中心已结合全国森林火险气象预报图，对重点区域进行轮巡拍摄。拍摄当天根据获取的影像第一时间判断出着火目标区域。从2019年3月29日16:10获取的GF-4卫星图像中可以明显看出沁源县森林着火区域上空有浓烟冒出（图5）。

图5 山西沁源县森林火灾GF-4卫星影像

2.高分四号卫星快速调度案例

2020年8月26日，第8号台风“巴威”位于黄海南部海面，8月27日在辽宁省丹东市登陆。受此影响，辽宁、山东等地区遭受大风和强降雨侵袭，导致部分区域内涝严重，威胁当地居民生命及财产安全。中国资源卫星应用中心获悉后立即启动重大自然灾害应急响应机制，进行GF-4卫星快速调度，紧急安排对灾区进行观测（图6）。数据第一时间提供给相关用户。

图6 “巴威”台风GF-4卫星影像

3.高低轨卫星联合拍摄案例

2021年2月20日下午，山西省晋中市左权县发生森林火灾，并蔓延至河北省邯郸市境内。由于当地干旱少雨，山上草木密布，且受风力影响，火势迅速蔓延。中国资源卫星应用中心使用GF-4卫星对左权县及周边进行大范围成像，及时获取火灾区域的中低分辨率影像。并根据GF-4卫星获取的位置信息，安排GF-1卫星对目标区域获取高分辨率遥感影像（图7）。获取极轨卫星影像数据后，GF-4卫星仍高频次、长时间对左权县及周边进行成像，动态监测事件发展情况，及时获取灾区有效数据提供给有关部门。