5米光学02星应用在轨测试

唐新明，肖晨超，魏红艳，刘宇，韩波，刘银年，王军

1.自然资源部国土卫星遥感应用中心,北京 100048;

2.中国空间技术研究院遥感卫星总体部,北京 100094;

3.中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083;

4.北京空间机电研究所,北京 100094

1 引言

自然资源部成立以来，为更好的履行“两统一”职责，卫星遥感应用已从土地及矿产资源的观测为主，拓展至山水林田湖草全要素观测；由数量及权属调查为主延伸为“数量、质量、生态”三位一体调查与监测，卫星遥感的观测范围及频次要求空前提升。卫星遥感在自然资源调查监测、确权登记、所有者权益、开发利用、国土空间规划、用途管制、生态修复和督察执法等自然资源主体业务中正发挥越来越重要的作用，同时不断拓展服务国家宏观管理与规划的多个领域。

近年来伴随着管理需求的不断延伸，业务卫星及应用技术研发也取得长足的发展，其中自然资源部作为主用户的中国首颗民用高光谱业务卫星（5 米光学01 星）于2019年成功发射。该星在轨运行后，其数据不仅迅速在地质矿产等领域开展应用（孙雨等，2022；赵志芳等，2022；魏红艳等，2020），围绕数据融合、传感器标定等方面开展大量技术研究（郭慧婷等，2020；唐洪钊等，2020），并且针对卫星系统（张宏宇等，2020）、应用系统设计（肖晨超等，2020）总结了相关成果和经验，为后续高光谱卫星的发展奠定了基础。

5 米光学02 星属于中国民用空间基础设施规划中的业务卫星序列。该星由自然资源部作为牵头部门负责卫星工程建设，设计提供2.5 m 全色/10 m多光谱、30 m高光谱和16 m热红外图像数据，为1∶10万—1∶25万自然资源的调查、监测、监管和产能监控等业务提供国产数据保障，并服务于应急管理、生态环境、住房和城乡建设、交通运输、农业农村、林业草原相关行业应用。

随着中国空间基础设施建设不断完善，新的遥感卫星逐步向着一星多用、多星组网的模式发展。5 米光学02 星与前序5 米光学01 星组网，在多载荷协同获取数据的同时，组网运行可实现中国任意地区最快2 天重访。2021年12月26 日5 米光学02 星在中国在太原卫星发射中心使用长征四号运载火箭顺利发射入轨，通过7个月的在轨测试及状态调优，卫星持续稳定运行，地面系统和应用系统各项功能正常，测试性能达到研制总要求规定的各项指标，双星具备组网运行条件，已成为中国陆地资源调查与监测的重要保障，并将为高分辨率定量遥感监测技术研发、地球关键带科学观测等工作提供有效数据源。

2 卫星主要特点

针对自然资源山、水、林、田、湖、草整体保护、系统修复、综合治理中多要素定量遥感观测的重要需求，5 米光学02 星主推光谱分辨能力，卫星遥感器谱段范围覆盖了可见近红外、短波红外和长波红外的典型波段，定量遥感特性突出，定位于中高分辨率大幅观观测和定量化遥感任务。卫星及标准数据产品主要技术指标如表1所示。

表1 卫星及标准数据产品主要参数表Table 1 The main specifications of the satellite and standard data product

可见光/近红外相机方面，多光谱谱段设计由传统四谱段拓展到八谱段，增加海岸蓝、黄、红边和近红外等谱段，进一步增强了可见光/近红外相机对植被、水体、林木、农作物等要素的定量化观测的能力，有望在地表类型识别、植被参数计算、水体监测、作物养分及病害监测等方面得到更加充分的应用，同时更便于开展与哨兵等多谱段卫星的联合应用。

高光谱相机方面，实现了可见近红外至短波红外区间内166个通道的连续光谱观测，并且通过视场倍增光学中继方法，实现宽谱宽幅高光谱分辨率超低畸变精细分光。卫星所搭载的高光谱相机具有大视场、小F数的同时，数据的幅宽及信噪比等指标较国内外同类卫星有一定优势（Zhong等，2021），通过规模化对地光谱数据获取，将有力支撑自然资源质量与生态遥感监测业务实施。

热红外相机方面，卫星可获取16 m空间分辨率热红外图像，并支持通过超分成像进一步将空间分辨率提升至10 m，是目前民用空间分辨率最高的热红外数据。长波红外遥感可不受昼夜限制，全天时对地面目标进行观测，满足地面温度目标遥感最新应用需求（段四波等，2021；吴骅等，2021）。

3 应用测试评价

为验证5 米光学02 星在自然资源主体业务中的可用性及应用潜力，在完成卫星系统、星地一体化及地面系统测试的基础上，基于各载荷卫星标准数据产品，围绕土地资源、地质矿产、测绘地理信息、海洋海岛监测等领域业务，在河北、云南、辽宁、内蒙古自治区等共选择35处测试区，选择不同载荷、地貌类型以及应用场景的在轨影像数据共计227景（其中多光谱131景、高光谱87景、热红外9 景），开展了32 项业务应用测试，对卫星设计指标进行测试验证（表2），同时对地面处理系统的算法进行必要的调整和优化。为卫星投入使用后顺利开展业务化应用奠定基础。

表2 主要在轨测试项Table 2 The list of application test items

在轨测试表明，卫星系统、地面系统和应用系统各项功能正常、运行稳定，双星一致性好，具备组网运行条件，可满足自然资源、应急管理、生态环境、住房和城乡建设、农业农村、林业和草原等行业主体业务对同等数据质量的要求，高光谱和热红外载荷定量应用测试效果良好。

3.1 土地资源领域

针对新增建设变化的“早发现、早制止、严查处”的监测需求（徐红，2021），在轨测试中利用2.5 m 全色与多光谱融合数据，开展新增线形地物、建（构）筑物、推填土、光伏用地、高尔夫用地和挖湖造景用地等6类变化信息的监测应用测试。测试结果表明，融合影像各地表要素间的色调差异明显、地表要素的识别能力强，地表要素间的接触边界清晰，通过多时相高分辨率遥感影像比对，能获取疑似违法图斑类型的属性、形态（图1）等信息，具有较高的识别精度。所提取新增建设用地的最小图斑满足最小0.6 ha 的要求，可用于常态化执法督察、土地资源全天候遥感监测等业务应用。多光谱115 km 的大幅宽，可实现大中型城市一次性全覆盖，具有较强的数据区域连片覆盖能力。

图1 新增线性地物遥感影像特征Fig.1 Remote sensing imagery of new linear feature

除土地利用类型外，充分发挥高光谱定量监测优势，利用5 米光学01 星构建的黑土地高光谱监测模型（Shang等，2020，2021），开展耕地土壤质量相关测试工作。在辽宁省彰武县/黑山县首先通过光谱探测方式识别耕地范围内裸土像元分布，在此基础上基于有机质、砂粒敏感光谱波段构建特征指数，并基于历史经验模型反演土壤有机质（图2）、砂粒含量等土壤参量数值，测试数据反演结果与参考数据的回归系数优于0.7，显示出星载高光谱数据在耕地土壤监测中有良好的应用前景。

图2 土壤有机质含量分级反演图Fig.2 Inversion map of soil organic matter content

3.2 地质矿产领域

全色与多光谱融合数据，既保留了多光谱波段的色调，又提高了其空间分辨率（邵亚奎等，2019）。在断裂构造的识别、构造的空间展布形态、构造性质等构造信息的判识方面，具有较好的应用效果（图3（a）），甚至在某些构造复杂地段还能识别出劈理、褶皱、韧性剪切带等微构造。在地质体解译方面，数据能有效地识别并圈出直径大于25 m的闭合地质体（图3（b））或宽度大于25 m、长度大于25 m的块状地质体；长度大于100 m、或宽大于20 m的线状地物（断裂、脉岩等）。

图3 裸露区构造岩性影像特征Fig.3 Structural and lithologic image features of exposed areas

裸露区典型矿物信息在星载高光谱数据中可有效表达（李根军等，2021）。5 米光学02 星高光谱数据的矿物信息响应较好，矿物特征谱形清晰可辨，特征吸收位置较准确，不仅可用于识别不同的矿物种类（图4），还能反演矿物的相对丰度信息。在业务应用中，基于矿物共生组合规律、成矿指示矿物，可快速为找矿预测、资源潜力评价、靶区圈定与优选提供重要信息（丁文清和丁林，2022）。

此外，5 米光学02 星全色与多光谱融合影像可获取采场、尾矿库（图5）等矿产资源开发要素的范围、位置等信息，结合其他信息可确定/推测不同矿山的开采状态、开采矿种、开采方式等信息；此外，还可利用该数据进行矿山地质灾害等环境信息的定性判别；在江西德兴铜矿周边，基于卫星高光谱数据所构建的铜胁迫植被指数（夏天等，2021），进一步结合地面采样数据反演土壤重金属含量分级反演结果（图6），总体精度超过70%，可为矿区周边土壤生态遥感监测应用提供支撑。

图5 矿山开发典型要素影像特征Fig.5 Image characteristics of typical elements of mine development

图6 土壤重金属含量分级反演图Fig.6 Inversion map of soil heavy metal content

3.3 生态修复领域

5 米光学02 星全色与多光谱融合影像地质环境相关解译标志清晰，可支撑解译湿地、荒漠化、水体、植被等生态环境因子；有效识别直径大于15 m 的闭合塌陷坑；宽度大于100 m、长度大于200 m 的块状崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害信息；通过前后时相影像对别，可对于生态修复工程中退耕还河、退耕造林（图7）、河道疏浚、污水库治理、人工湿地建设、海岸线修复等工程形迹进行有效研判。

图7 沿河退耕造林监测影像对比Fig.7 Comparison of monitoring images of abandoned farmland and afforestation along the river

在湿地、农田等生态系统中，综合利用高光谱和多光谱数据，一方面可对生态系统内部组成开展更为精细的分类；另一方面可结合地面工作或辐射传输模型，开展植被、水体等目标物理化学参量的仿真及反演，获取植被覆盖度、叶面积指数、水体透明度、叶绿素a浓度、富营养状况定量信息（于贵瑞等，2021；郭庆华等，2020；刘瑶等，2022）。在轨测试中，在黄河口、杭州湾、呼伦贝尔、滇池（图8）、浙江丽水（图9）等区域取得较好的测试应效果。

图8 湖泊水体叶绿素a浓度反演图Fig.8 Inversion map of chlorophyll a in lake water

图9 植被冠层叶绿素含量反演图Fig.9 Inversion map of chlorophyll in vegetation canopy

3.4 测绘应用领域

利用5 米光学02 星数据在锡林浩特城区，依据遥感影像平面制作规范开展的1∶5 万平面影像图制作中，地面测试的38个点中误差为2.134 m，满足成图要求，对后期1∶5 万和1∶10 万比例尺地理空间信息更新有着重要的数据支撑作用。在地理国情监测业务中，5 米光学02 星融合影像特征及地物识别能力与高分一号相近（图10），达到2 m级数据监测能力，满足地表覆盖监测项目一级类和部分二级类、三级类的提取要求（孙兴丽等，2020）。

图10 同类卫星融合影像细节对比Fig.10 Detail comparison of similar satellite fusion images

3.5 海洋应用领域

5 米光学02 星可为海洋遥感应用提供陆海交接带综合观测的大幅宽可靠数据源。卫星数据几何位置准确、光谱信息丰富，全色多光谱融合数据对水边线、冰缘线、养殖浮筏轮廓（图11）、红树林等信息提取准确；利用高光谱数据反演的近海海水叶绿素浓度与总悬浮指标与相同/相近日期的哨兵三号数据产品（Tilstone等，2021）相关性超过0.8（图12），5 米光学02 星数据可满足围填海调查、近海养殖区监测、海岸线变化监测、海洋突发事件应急响应、海洋典型生态系统监测以及极地监测方面的应用需求。

图11 汕头市浮筏养殖区遥感监测图Fig.11 Remote sensing monitoring map of floating raft aquaculture area in Shantou

图12 大洋水质反演交叉验证Fig.12 Oceanic water quality inversion cross-validation

图13 不同传感器地表温度细节对比Fig.13 Detailed comparison of surface temperature of different sensors

3.6 工业产能监测

在江苏测试区开展的5 米光学02 星热红外测试结果表明，热红外影像地表温度精细识别能力较高，能够识别较小面积钢铁企业地表温度的变化情况，可监测到钢铁企业局部地区的升温情况，与Landsat 系列数据为基础开展的钢铁去产能遥感监测结果对比分析一致性较好，能够为钢铁去产能遥感监测业务提供有效数据支撑。

4 结论

在轨测试表明，5 米光学02 星全色多光谱数据质量良好，可满足1∶5 万—1∶25 万自然资源典型业务应用对数据质量的要求；高光谱载荷所获取的典型地物光谱曲线形态合理，特征位置准确；热红外载荷数据质量稳定，空间分辨率高，细节信息丰富，系列定量应用测试效果显著；5 米光学02 星数据在自然资源及相关行业遥感监测应用中可发挥重要作用。

多载荷协同成像的总体设计，可连续、高效、稳定获取可见光至热红外区间，最大幅宽可达115 cm、最高空间分辨率可达2.5 m、最高光谱分辨率可达10 nm 的对地观测数据。该设计理念充分发挥星地一体化多载荷协同应用能力，通过卫星段差异化观测能力配置与地面处理环节相结合，在获取相同平台状态、相同大气条件的多源数据后，可在地面段根据业务场景，进一步生成2.5 m全色多光谱融合数据、10 m 高光谱融合数据及热红外超分数据等，使得卫星数据应用场景及应用效益最大程度发挥。

高光谱数据规模化、业务化应用对于星载数据的推广和应用尤为重要。在5 米光学02 星测试和应用过程中，围绕高光谱数据Etalon 效应去除、光谱保真条件下的辐射质量提升、片间一致性处理、规模化大气校正等技术难点，以及高光谱水体水质、土壤质量等典型应用场景，开展技术攻关并构建了业务化应用平台，基本实现高光谱数据产品的日清月结，相关技术规范及指南对后续工作有重要指导意义。

5米光学02星在轨测试工作受测试周期、疫情防控等客观因素影响，主要基于已有数据本底或内业人工解译成果开展精度评价和验证，较大规模外业试验验证及星空地一体化同步观测开展的次数不多，后续工作中将进一步加强相关数据和技术成果的野外验证和交叉比对，持续优化卫星数据处理模型，深入挖掘卫星的应用潜力。

5 米光学02 星投入使用后，将进一步扩充自然资源现代化监管体系，提高卫星数据保障能力和卫星遥感技术业务化应用能力，推进卫星资源整合和共享，支撑实现自然资源调查法制化、监测制度化、监管常态化，更好的满足国家在经济社会发展、国土资源安全、资源环境保护等诸多重大问题方面对资源环境管理的新要求。

志谢此次自然资源领域应用在轨测试工作中，得到中国资源卫星应用中心、国家卫星海洋应用中心、中国自然资源航空物探遥感中心、河北省水文工程地质勘查院、青海省地质调查院、湖南省第二测绘院、云南省地质技术信息中心、内蒙古自治区测绘地理信息局等单位专家的支持，在此表示衷心的感谢！