資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星信息化與應(yīng)急應(yīng)用

+ 付興科 國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星是中國(guó)首顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)圖衛(wèi)星。經(jīng)過(guò)在軌測(cè)試、試運(yùn)行、衛(wèi)星交付等多階段的運(yùn)行和應(yīng)用情況表明，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，其突出的信息化能力和應(yīng)急保障能力在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的諸多行業(yè)以及防災(zāi)救災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的基礎(chǔ)保障作用。

圖1 資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星第一軌真彩色測(cè)繪融合影像產(chǎn)品

作為中國(guó)首個(gè)高分辨率光學(xué)傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星工程，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星將為國(guó)家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)和更新提供數(shù)據(jù)源，滿足1:5萬(wàn)所要求原始影像地面分辨率及其相應(yīng)的平面和高程的精度要求，同時(shí)兼顧更大比例尺地區(qū)修測(cè)及資源、環(huán)境、水利、交通、城市建設(shè)、災(zāi)害評(píng)估和國(guó)家安全、寓軍于民等方面的需求。自發(fā)射以來(lái)，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星已在全國(guó)1:5萬(wàn)數(shù)據(jù)庫(kù)更新任務(wù)、“天地圖”、927工程等國(guó)家重大測(cè)繪任務(wù)，省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪，以及國(guó)土資源監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的應(yīng)用，已面向國(guó)內(nèi)外各應(yīng)用行業(yè)的近400家單位提供了資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品及服務(wù)，提供數(shù)據(jù)量1.9萬(wàn)余景，取得了顯著的應(yīng)用效果。資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的信息化能力得以顯現(xiàn)，測(cè)繪應(yīng)急保障能力得到快速提升。

一、資源三號(hào)衛(wèi)星工程概述

2012年1月9日11時(shí)17分，中國(guó)首顆民用高分辨率光學(xué)立體測(cè)圖衛(wèi)星——資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星成功發(fā)射，開(kāi)啟了中國(guó)高精度衛(wèi)星立體測(cè)繪的新紀(jì)元；1月11日，資源三號(hào)成功傳回第一軌影像；1月12日，應(yīng)用系統(tǒng)順利生產(chǎn)出第一批測(cè)繪產(chǎn)品，見(jiàn)圖1。2012年4月20日，資源三號(hào)完成在軌測(cè)試。2012年7月30日，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星正式交付給用戶國(guó)家測(cè)繪地理信息局。衛(wèi)星在軌測(cè)試和試運(yùn)行表明，資源三號(hào)衛(wèi)星工程相關(guān)指標(biāo)全面滿足甚至優(yōu)于研制要求，遙感衛(wèi)星產(chǎn)品質(zhì)量得以大幅提高。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星搭載四臺(tái)線陣推掃式光學(xué)相機(jī)，其中三臺(tái)全色相機(jī)按照前視22度、正視和后視22度設(shè)計(jì)安裝，正視相機(jī)地面分辨率優(yōu)于2.1米，前視、后視相機(jī)地面分辨率優(yōu)于3.5米，構(gòu)成了三線陣立體測(cè)圖相機(jī)；另一臺(tái)多光譜相機(jī)包含紅、綠、藍(lán)和紅外四個(gè)譜段，地面分辨率優(yōu)于5.8米。四臺(tái)相機(jī)的配備使得資源三號(hào)衛(wèi)星具有突出的多角度、多光譜綜合立體成像能力，相機(jī)性能的提升使得資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像的目視解譯能力、清晰度、對(duì)比度、地物識(shí)別能力、地物定位精度、地物細(xì)節(jié)分辨能力等指標(biāo)在國(guó)內(nèi)外同類衛(wèi)星中達(dá)到先進(jìn)水平，立體影像質(zhì)量得到國(guó)內(nèi)各用戶部門的廣泛好評(píng)，基本替代了SPOT-5、P5、ALOS等國(guó)外同類衛(wèi)星在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星地面接收站設(shè)在北京密云、喀什和三亞，接收范圍基本上可以覆蓋中國(guó)全境，如圖2所示，并首次實(shí)現(xiàn)超高碼速率遙感數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸能力由2×150Mbit/s提高到了2×450Mbit/s，達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行和測(cè)繪產(chǎn)品分發(fā)應(yīng)用由資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星用戶－國(guó)家測(cè)繪地理信息局衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心承擔(dān)。目前，已經(jīng)形成了完善成熟的測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)體系，構(gòu)建了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星4D產(chǎn)品高精度高效率綜合處理平臺(tái)，為資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星產(chǎn)品行業(yè)應(yīng)用和推廣打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的高精度信息化能力

2007年，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)測(cè)繪工作的意見(jiàn)》對(duì)今后一個(gè)時(shí)期的測(cè)繪工作進(jìn)行了總體部署：建設(shè)信息化測(cè)繪體系，構(gòu)建數(shù)字地理空間框架，提供測(cè)繪公共服務(wù)，發(fā)展地理信息產(chǎn)業(yè)。測(cè)繪信息化離不開(kāi)最基本的數(shù)據(jù)源，即遙感影像的支持。資源三號(hào)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效地將高分辨率衛(wèi)星影像轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品，從而為測(cè)繪信息化建設(shè)提供了強(qiáng)有力的支撐。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的信息化能力可從以下六個(gè)方面體現(xiàn)：

1、 三線陣立體測(cè)圖能力

不同于以往的衛(wèi)星，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星是三線陣衛(wèi)星，可以高效地向用戶提供高質(zhì)量的立體影像產(chǎn)品。單線陣衛(wèi)星受天氣條件限制，異軌立體成像立體影像獲取效率低；同軌立體像對(duì)需要線陣擺動(dòng)成像構(gòu)成，衛(wèi)星姿控系統(tǒng)技術(shù)難度大，姿態(tài)穩(wěn)定度較低，影響衛(wèi)星的測(cè)圖精度。三線陣衛(wèi)星立體成像只需推掃即可使得測(cè)繪衛(wèi)星具備了獲取大范圍立體影像的能力，同時(shí)顯著改善立體成像的影像質(zhì)量；三線陣成像具備同軌立體、三重立體等穩(wěn)定靈活的立體構(gòu)成、理想的基高比、立體影像的時(shí)間一致性等優(yōu)點(diǎn)。

2、高穩(wěn)定性多光譜成像能力

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星具有高穩(wěn)定性的多光譜成像能力，其搭載的多光譜相機(jī)具有藍(lán)、綠、紅和近紅外四個(gè)譜段。多光譜相機(jī)與高精度三線陣相機(jī)的有效組合，使得影像測(cè)圖精度和光譜信息達(dá)到了有機(jī)的結(jié)合。

圖3 資源三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品分類

3、大范圍、短周期覆蓋能力

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星采用505km的太陽(yáng)同步軌道，可實(shí)現(xiàn)地球南北緯84度以內(nèi)地區(qū)無(wú)縫影像覆蓋，衛(wèi)星回歸周期為59天，重訪周期為5天。衛(wèi)星每日圍繞地球飛行15圈，平均每天有3軌白天經(jīng)過(guò)中國(guó)上空，3軌夜里經(jīng)過(guò)中國(guó)上空。在地面站接收范圍內(nèi)，降軌可以做實(shí)傳模式拍攝，升軌可以回放境外/境內(nèi)記錄模式的數(shù)據(jù)。這均確保了資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星具有大范圍、短周期的覆蓋能力。

4、高精度高分辨率信息化測(cè)圖能力

為了滿足高精度測(cè)量的要求，除了高光學(xué)性能相機(jī)外，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星配備了高精度的恒星敏感器、雙頻GPS及高精度陀螺，地面定位精度首次達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了無(wú)控制點(diǎn)條件下國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星原有的幾百米的目標(biāo)定位精度提高到米級(jí)，并能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。資源三號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)突破了高精度幾何檢校、計(jì)算機(jī)輔助的多目立體測(cè)圖等制約我國(guó)測(cè)繪衛(wèi)星高精度幾何處理的系列關(guān)鍵技術(shù)，形成了完善成熟的測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)體系，首次構(gòu)建了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星4D產(chǎn)品高精度高效率綜合處理平臺(tái)，為資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像產(chǎn)品的高精度處理、生產(chǎn)和應(yīng)用奠定了技術(shù)和精度基礎(chǔ)。

在高精度信息化服務(wù)方面，資源三號(hào)測(cè)圖精度可以發(fā)揮顯著作用。從衛(wèi)星數(shù)據(jù)上看，在全球不加任何控制的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)10m左右的定位精度。利用少量控制點(diǎn)經(jīng)過(guò)三線陣平差以后，平面精度優(yōu)于3m，高程精度優(yōu)于2m。例如，2500平方千米范圍內(nèi)只需要3~4個(gè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)平面2m左右的精度。

5、標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)繪衛(wèi)星產(chǎn)品信息化服務(wù)能力

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品主要包含測(cè)繪遙感影像產(chǎn)品和數(shù)字地形產(chǎn)品。測(cè)繪遙感影像產(chǎn)品包括幾何精糾正產(chǎn)品、正射糾正產(chǎn)品和數(shù)字正射影像產(chǎn)品三種高級(jí)產(chǎn)品。數(shù)字地形產(chǎn)品分為立體產(chǎn)品和4D產(chǎn)品兩大類，前者包括核線影像產(chǎn)品、立體影像產(chǎn)品和精糾正立體影像產(chǎn)品，后者包括數(shù)字表面模型、數(shù)字高程模型、數(shù)字線劃圖和數(shù)字柵格圖等，如圖3所示。

圖4 資源三號(hào)專題產(chǎn)品分類

此外，為服務(wù)于不同行業(yè)，資源三號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)具備行業(yè)專題產(chǎn)品的信息化服務(wù)能力，包括融合影像、三維可視化產(chǎn)品、坡度圖、坡向圖等基礎(chǔ)專題產(chǎn)品和各種地物的地表覆蓋圖、水資源分布圖、交通要素圖等行業(yè)專題產(chǎn)品等，如圖4所示。

測(cè)繪產(chǎn)品和專題產(chǎn)品體系的完善和多樣化提升了資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星信息化服務(wù)的廣泛性和定制化水平。

6 、長(zhǎng)壽命確保信息化測(cè)圖的長(zhǎng)期、穩(wěn)定

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星突破了能源安全管理技術(shù)、電源系統(tǒng)延壽技術(shù)、長(zhǎng)壽命陀螺技術(shù)、長(zhǎng)壽命轉(zhuǎn)動(dòng)天線等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了中國(guó)遙感衛(wèi)星五年長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。通過(guò)增強(qiáng)衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性，大幅提高了中國(guó)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的應(yīng)用效益，為未來(lái)低軌遙感衛(wèi)星長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，確保了信息化測(cè)圖的長(zhǎng)期和穩(wěn)定。

圖5 資源三號(hào)4D產(chǎn)品

三、資源三號(hào)的應(yīng)急測(cè)繪能力

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的軌道高度為505千米太陽(yáng)同步軌道，這使其具有優(yōu)良的短周期重訪能力，回歸周期59天，重訪周期5天；幅寬方面，單景有效覆蓋寬度和立體有效覆蓋寬度均大于50千米；資源三號(hào)衛(wèi)星還具有±32度側(cè)擺能力，對(duì)應(yīng)315千米地面垂軌距離。這種短周期重訪能力與大角度側(cè)擺能力的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域3天左右的應(yīng)急保障能力。

資源三號(hào)已具備快速、高效、穩(wěn)定的應(yīng)急測(cè)繪能力，其體現(xiàn)在：

（1）根據(jù)測(cè)量業(yè)務(wù)需要，提供常規(guī)模式和應(yīng)急模式.應(yīng)急測(cè)繪模式下，30分鐘之內(nèi)完成應(yīng)急拍攝計(jì)劃，30景數(shù)據(jù)處理時(shí)間小于24小時(shí)；

（2）高效、完善的應(yīng)急測(cè)繪生產(chǎn)體系，具備數(shù)字地形產(chǎn)品、專題產(chǎn)品等應(yīng)急測(cè)繪產(chǎn)品的快速生產(chǎn)能力；

（3）影像產(chǎn)品具有高精度高分辨率特點(diǎn)，可為防災(zāi)救災(zāi)中的交通恢復(fù)、物資運(yùn)送、現(xiàn)場(chǎng)救援等提供強(qiáng)有力支持。

資源三號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)可以快速生產(chǎn)的產(chǎn)品包括數(shù)字正射模型（DOM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字線劃圖（DLG）等4D產(chǎn)品，如圖5所示，以及針對(duì)不同行業(yè)應(yīng)用的地表覆蓋圖、水資源分布圖、交通要素圖等專題產(chǎn)品，甚至可以在此基礎(chǔ)上做一些被洪水淹沒(méi)的模擬場(chǎng)景，或在影像的基礎(chǔ)上形成城市規(guī)劃模擬的場(chǎng)景圖，可為水利、交通等與地形有關(guān)的決策提供支持。

此外，國(guó)家測(cè)繪地理信息局良好的數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)繪專用網(wǎng)絡(luò)及各個(gè)地方局的數(shù)據(jù)資源，可以提供快速的數(shù)據(jù)、信息支持，這為資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星應(yīng)急保障能力的發(fā)揮起到了重要的幫助。應(yīng)用系統(tǒng)在第一時(shí)間獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)后就能及時(shí)處理，特別是數(shù)字表面模型，只要獲取了影像數(shù)據(jù)，就可以按照自動(dòng)化生產(chǎn)的模式，在0.5～1小時(shí)內(nèi)提供產(chǎn)品，這保證了在最短時(shí)間內(nèi)將受災(zāi)區(qū)域的立體信息反饋到指揮或決策部門。

四、資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星信息化和應(yīng)急應(yīng)用情況

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星發(fā)射至今，其信息化服務(wù)能力和應(yīng)急測(cè)繪能力已得到初步體現(xiàn)。

截至2012年底，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星已面向國(guó)內(nèi)外各應(yīng)用行業(yè)的400余家單位提供了資源三號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品及服務(wù)，提供數(shù)據(jù)量3萬(wàn)余景， 總數(shù)據(jù)量達(dá)20TB。

資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像質(zhì)量清晰、三線陣及多光譜影像配對(duì)完整，可用于立體測(cè)繪生產(chǎn)面積已達(dá)450萬(wàn)平方千米，在中國(guó)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生產(chǎn)、天地圖服務(wù)、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、927工程等多個(gè)國(guó)家重大測(cè)繪工程中得到了廣泛應(yīng)用，有效解決了數(shù)字中國(guó)地理空間框架構(gòu)建方面的數(shù)據(jù)源瓶頸問(wèn)題，大大提升了基礎(chǔ)地理信息資源的現(xiàn)勢(shì)性。同時(shí)，面向省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪及綜合服務(wù)需求，向20多個(gè)省市級(jí)測(cè)繪部門提供了所在地區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)；為國(guó)土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、土地、城市建設(shè)等多行業(yè)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，涉及應(yīng)用內(nèi)容包括國(guó)土資源調(diào)查、水土流失治理、水域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、城市變遷監(jiān)測(cè)等。

資源三號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)在云南安寧晉寧山林火災(zāi)發(fā)生后，迅速啟動(dòng)應(yīng)急保障機(jī)制，第一時(shí)間向云南省測(cè)繪局提供了晉寧縣境內(nèi)兩處火災(zāi)區(qū)域的正視多光譜融合影像和有關(guān)解譯信息用以制作出《云南省晉寧縣3.28火災(zāi)災(zāi)后遙感影像圖》，如圖6所示，為災(zāi)情評(píng)估和救災(zāi)指導(dǎo)工作提供了有效的應(yīng)急保障。

圖6 云南晉寧3.28火災(zāi)災(zāi)后遙感影像圖

面對(duì)時(shí)下國(guó)際海域劃界的各種爭(zhēng)端，為實(shí)現(xiàn)中國(guó)海域的長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、高效監(jiān)測(cè)，同時(shí)保證劃界的公平性、科學(xué)性，必須采用高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感技術(shù)等當(dāng)代高新科技含量高的測(cè)繪技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化、電子化。資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星的應(yīng)急保障能力在黃巖島等事件中得到體現(xiàn)，如圖7所示。

圖7 黃巖島影像圖

此外，資源三號(hào)應(yīng)用系統(tǒng)為民政部減災(zāi)中心、黃河水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心等防災(zāi)減災(zāi)機(jī)構(gòu)，以及一些專門對(duì)后期技術(shù)做研究的科研性單位提供了數(shù)據(jù)支持，這為資源三號(hào)后續(xù)應(yīng)急應(yīng)用起到了重要的推動(dòng)作用。

隨著資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星影像的以及相關(guān)信息化和應(yīng)急應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，資源三號(hào)測(cè)繪衛(wèi)星必將在中國(guó)信息化能力建設(shè)以及應(yīng)急測(cè)繪保障方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。