商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討

●　文|中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心　赫華穎　王海燕　郝雪濤　齊懷川

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商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討

●文|中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心赫華穎王海燕郝雪濤齊懷川

高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星影像由于空間分辨率高、識(shí)別地物能力強(qiáng)、信息準(zhǔn)確等因素，受到各國(guó)的重視。2014年10月24日，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，決定要逐步引導(dǎo)民間資本參與國(guó)家民用空間設(shè)施建設(shè)，研制、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)商業(yè)遙感衛(wèi)星。縱觀全球，很多國(guó)家都已采用商業(yè)化方式運(yùn)營(yíng)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，且收益顯著。近年來，一大批從事商業(yè)微型衛(wèi)星研發(fā)的創(chuàng)新企業(yè)先后涌現(xiàn)，拓寬了商業(yè)遙感模式和發(fā)展方向。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外商業(yè)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)展開探討。

一、商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀

商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用涉及十分廣泛的用戶類型，應(yīng)用領(lǐng)域主要包括國(guó)防安全、能源、自然資源管理、海事、災(zāi)害應(yīng)急管理、工程與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及基于位置的服務(wù)（LBS）等。不同的用戶、不同的行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域需要不同的遙感服務(wù)，表現(xiàn)在空間分辨率、光譜分辨率、重訪周期以及數(shù)據(jù)時(shí)效性（存檔或新采集的數(shù)據(jù)）等方面。

1．國(guó)防安全

國(guó)防應(yīng)用是商業(yè)遙感數(shù)據(jù)市場(chǎng)的最大用戶。近年來，商業(yè)數(shù)據(jù)市場(chǎng)中的百分之七十左右的訂單都是為國(guó)防用戶所占有。在過去十年國(guó)防部門對(duì)商業(yè)數(shù)據(jù)市場(chǎng)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。

國(guó)防對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用特點(diǎn)是重訪能力強(qiáng)，能夠及時(shí)獲?。ūM可能接近實(shí)時(shí)）高分辨率、高定位精度的光學(xué)及雷達(dá)影像，數(shù)據(jù)直接從接收站接收，保障數(shù)據(jù)使用安全性和保密性。

2．能源行業(yè)

遙感數(shù)據(jù)在能源行業(yè)的應(yīng)用往往集中在偏遠(yuǎn)的人類較困難從事工程作業(yè)的地區(qū)。這些地區(qū)通常缺少基礎(chǔ)信息（地圖、地質(zhì)圖），如北極地區(qū)（俄羅斯、加拿大和阿拉斯加）、深水鉆井區(qū)（墨西哥灣、海鄂霍次克海/白令海）。此外，基礎(chǔ)信息采集欠發(fā)達(dá)的亞非地區(qū)也是該行業(yè)的主要應(yīng)用區(qū)域。

能源業(yè)的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)是高分辨率、高定位精度的光學(xué)及雷達(dá)影像，數(shù)據(jù)時(shí)效性要求不高，但數(shù)據(jù)增值服務(wù)是重點(diǎn)。

3．基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施與工程行業(yè)的應(yīng)用涵蓋制圖學(xué)、城市發(fā)展、房地產(chǎn)、交通規(guī)劃以及相關(guān)的工程建設(shè)項(xiàng)目。隨著各個(gè)國(guó)家在加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過程中，對(duì)地形圖或解決方案的需求增加，對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在該行業(yè)的應(yīng)用也日益突出。這在那些經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)并希望改善基礎(chǔ)設(shè)施的國(guó)家中體現(xiàn)的尤為明顯。對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)在整個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用是多種多樣的，但主要還是利用中高分辨率數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別監(jiān)測(cè)。

基礎(chǔ)設(shè)施工程的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)是高分辨率（優(yōu)于0.5m）、高定位精度的光學(xué)影像數(shù)據(jù)時(shí)效性要求不高，數(shù)字高程模型（DEM）是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

4．災(zāi)害管理

災(zāi)害周期的各個(gè)階段（風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后重建）都需要遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)及服務(wù)。災(zāi)害發(fā)生的前后，需要快速響應(yīng)獲取災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的數(shù)據(jù)，并及時(shí)交付用于災(zāi)害發(fā)展?fàn)顩r持續(xù)監(jiān)測(cè)。但是當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)通常是免費(fèi)提供的，向政府和救災(zāi)國(guó)際組織提供公益服務(wù)。在重大事件發(fā)生后，商業(yè)公司免費(fèi)提供用于支持災(zāi)后救援的數(shù)據(jù)，或者名義上收取一定處理費(fèi)用。監(jiān)測(cè)受災(zāi)區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行損失評(píng)估、后勤工作支持和熱點(diǎn)區(qū)域識(shí)別，是服務(wù)的熱點(diǎn)。首選解決方案是高分辨率光學(xué)數(shù)據(jù)的迅速交付。然而，例如洪水這種災(zāi)害事件和大量云量覆蓋聯(lián)系在一起時(shí)，光學(xué)數(shù)據(jù)不能滿足所有的需求。在這種情況下，合成孔徑雷達(dá)（SAR）數(shù)據(jù)就會(huì)扮演重要的角色。

災(zāi)害管理的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)是各類數(shù)據(jù)的快速持續(xù)獲取，數(shù)據(jù)綜合整合的增值服務(wù)是重點(diǎn)。

圖1和圖2展示了WorldView-3對(duì)2014年美國(guó)加州森林火災(zāi)所成的圖像。通過短波紅外波段中的S6、S3以及S1波段對(duì)光譜的提取，能夠有效過濾森林火災(zāi)引起的煙霧，直接觀測(cè)火災(zāi)的實(shí)際范圍，幫助火場(chǎng)救災(zāi)人員準(zhǔn)確制定營(yíng)救和火控方案。

圖1　彩色野火煙霧圖像

圖2　可穿透煙霧的SWIR圖像

5．海洋業(yè)務(wù)

手術(shù)治療GCTB后的局部缺損區(qū)域要進(jìn)行人工材料填充，如人工生物陶瓷、骨水泥等。也會(huì)采用氬氣刀、骨水泥的局部物理或化學(xué)治療對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷，但其產(chǎn)生的殺傷作用是短暫的［18］；也有學(xué)者使用微波原位滅活技術(shù)治療肢體骨巨細(xì)胞瘤，較普通刮除術(shù)有一定優(yōu)勢(shì)［19］，但復(fù)發(fā)后骨水泥再取出十分困難，對(duì)局部復(fù)發(fā)患者的進(jìn)一步診療增加了手術(shù)難度。

在SAR影像上，船只、海冰、油膜與周圍海面的紋理明顯不同，容易識(shí)別，所以SAR數(shù)據(jù)非常適用于海事方面。在海洋方面，遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要用來進(jìn)行船只監(jiān)測(cè)、路線選擇（包括路線制圖、后勤保障，海冰探測(cè)）和非法活動(dòng)（如污水傾泄、非法闖入、非法交易等）監(jiān)測(cè)及報(bào)告。隨著數(shù)據(jù)供應(yīng)的增加，業(yè)務(wù)逐漸形成了一種可持續(xù)的服務(wù)模式，有成熟的客戶基礎(chǔ)，可以為軍事和民用、政府及私人企業(yè)提供有價(jià)值的服務(wù)。這也是SAR數(shù)據(jù)除了國(guó)防以外的第一塊市場(chǎng)領(lǐng)域。

海洋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的應(yīng)用特點(diǎn)是SAR數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)與存檔數(shù)據(jù)都有應(yīng)用。

6．自然資源管理

自然資源管理涉及資源開發(fā)、監(jiān)測(cè)、土地利用和海洋資源利用、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水資源和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。監(jiān)測(cè)地區(qū)資源的可持續(xù)利用是一個(gè)非常重要的因素，特別是那些資源逐漸減少和高污染的地區(qū)。遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，但在許多情況下，低價(jià)的中分辨率、甚至免費(fèi)的數(shù)據(jù)都能夠滿足需求。例如，大范圍農(nóng)業(yè)制圖、地表覆蓋制圖等。但是，部分應(yīng)用要求衛(wèi)星有更快的重訪周期和更寬的幅寬。這些具有更快重訪周期和更寬幅寬的系統(tǒng)通常更多的用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

自然資源管理的數(shù)據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)是中低分辨率、寬覆蓋高重訪的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

7．地理位置服務(wù)

基于位置的服務(wù)主要集中在光學(xué)高分辨率數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)及時(shí)性要求不高，主要為存檔數(shù)據(jù)。

二、商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)

1. 高空間分辨率

在技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用需求的牽引下，衛(wèi)星地面分辨率不斷提高。在光學(xué)超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領(lǐng)域，美國(guó)數(shù)字地球公司具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，維持在0.5m的水平，最高達(dá)0.31m。在光學(xué)高分辨率（0.5~1.0m）領(lǐng)域，美國(guó)天體成像公司、法國(guó)空客集團(tuán)和以色列ImageSat公司實(shí)力相當(dāng)，維持在0.7m的水平；我國(guó)剛發(fā)射的吉林一號(hào)的全色波段分辨率為0.72m。在SAR方面，意大利、德國(guó)分辨率水平相當(dāng)，最高空間分辨率均為1m；加拿大其次，最高空間分辨率為3m。

2. 高時(shí)間分辨率

單顆或少量衛(wèi)星的獲取能力有限，通過星座組網(wǎng)運(yùn)行，獲得更大的數(shù)據(jù)獲取能力和更高的時(shí)間分辨率。在光學(xué)超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領(lǐng)域，美國(guó)數(shù)字地球公司雖然單星時(shí)間分辨率并不具備競(jìng)爭(zhēng)力，但若考慮將其視為一個(gè)虛擬星座，時(shí)間分辨率可達(dá)1天的水平。在光學(xué)高分辨率（0.5~1.0m）領(lǐng)域，美國(guó)天體成像公司的衛(wèi)星具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，時(shí)間分辨率可達(dá)0.25天的水平；其次是法國(guó)空客公司和中國(guó)二十一世紀(jì)空間技術(shù)應(yīng)用股份有限公司，Pleiades-1A/1B星座和北京二號(hào)星座均可達(dá)1天的水平。在光學(xué)中分辨率（1~10m）領(lǐng)域，法國(guó)空客公司最具優(yōu)勢(shì)，SPOT-6/7 和Formosat-2組網(wǎng)，時(shí)間分辨率可達(dá)0.5天；其次是英國(guó)薩里公司，RapidEye星座時(shí)間分辨率可達(dá)1天。在SAR方面，意大利的4顆Cosmo-SkyMed衛(wèi)星位于同一軌道面，極大提高了時(shí)間分辨率，可達(dá)12小時(shí)；法國(guó)空客集團(tuán)的TerraSAR-X、TanDEM-X 和即將發(fā)射的Paz組網(wǎng)提高了時(shí)間分辨率，可達(dá)21小時(shí)；加拿大MDA公司的Radarsat-2達(dá)3天。

3. 強(qiáng)覆蓋能力

根據(jù)當(dāng)前的衛(wèi)星發(fā)展水平，單星日觀測(cè)面積都向100萬平方千米發(fā)展，如果考慮星座能力，則可達(dá)幾百萬的水平。在光學(xué)超高分辨率（<0.5m）領(lǐng)域，美國(guó)數(shù)字地球公司日觀測(cè)面積可達(dá)300多萬平方千米；在光學(xué)高分辨率（0.5~1.0m）領(lǐng)域，最具有潛力的是美國(guó)天體成像公司，日觀測(cè)量在1000萬平方千米以上，而法國(guó)空客集團(tuán)則可達(dá)到200萬平方千米；在光學(xué)中分辨率（1~10m）領(lǐng)域，法國(guó)空客集團(tuán)水平最高，可達(dá)700萬平方千米，其次是英國(guó)薩里公司，為400萬平方千米。在高分辨率SAR數(shù)據(jù)上，意大利的COSMO-SkyMed星座和法國(guó)空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網(wǎng)均具有極強(qiáng)的覆蓋能力，每日3萬平方千米；在中分辨率SAR數(shù)據(jù)上，意大利的COSMO-SkyMed星座的覆蓋能力最強(qiáng)，每日240萬平方千米，其次是法國(guó)空客的TerraSAR-X、TanDEM-X、Paz組網(wǎng)，每日90萬平方千米。

4.低制造成本

小衛(wèi)星（質(zhì)量5~300kg）發(fā)射成本低，在滿足圖像商業(yè)應(yīng)用的前提下，盡可能采用小衛(wèi)星平臺(tái)、低成本的望遠(yuǎn)鏡，利用最新的圖像處理硬件和算法，以相對(duì)較短的衛(wèi)星壽命換取由更大數(shù)量衛(wèi)星組成的星座，不但降低了衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、總裝和發(fā)射成本，還使衛(wèi)星和圖像數(shù)量增加，覆蓋能力增強(qiáng)，時(shí)間分辨率增高。在光學(xué)超高分辨率（優(yōu)于0.5m）領(lǐng)域，目前還未有小衛(wèi)星。在光學(xué)高分辨率（0.5~1.0m）領(lǐng)域，美國(guó)天體成像公司的衛(wèi)星具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，目前已有SkySat-1和SkySat-2兩顆質(zhì)量100kg的衛(wèi)星在軌運(yùn)行，并計(jì)劃于2018年前以低廉成本構(gòu)建由24顆衛(wèi)星組成的小衛(wèi)星星座SkySat，實(shí)現(xiàn)全球任意目標(biāo)每天3~4次的訪問能力，為用戶快速提供實(shí)時(shí)、高分辨率的海量遙感影像甚至視頻；在光學(xué)中分辨率（1~10m）領(lǐng)域，英國(guó)薩里公司研制的RapidEye1-5質(zhì)量為150kg，具有高時(shí)間分辨率和強(qiáng)覆蓋能力，處于領(lǐng)先水平。

綜上所述，發(fā)展高空間分辨率的衛(wèi)星是必然選擇；發(fā)展高時(shí)間分辨率、強(qiáng)覆蓋能力的衛(wèi)星星座是發(fā)展方向；創(chuàng)新發(fā)展低制造成本衛(wèi)星可增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力?？焖傩纬?.5m分辨率亞米級(jí)的衛(wèi)星星座，具備較強(qiáng)的區(qū)域獲取能力，并分階段不斷提升，讓地面的特征更加精細(xì)化；發(fā)展0.3m分辨率的高端光學(xué)衛(wèi)星，具備同數(shù)字地球公司、航空數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的能力，在國(guó)內(nèi)形成優(yōu)勢(shì)地位；戰(zhàn)略上發(fā)展SAR衛(wèi)星系統(tǒng)，開拓SAR數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值；研究高光譜、視頻相機(jī)等載荷數(shù)據(jù)的應(yīng)用前景，跟蹤不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)應(yīng)用市場(chǎng)，能為多行業(yè)領(lǐng)域帶來深度的挖掘及分析價(jià)值。創(chuàng)新發(fā)展小衛(wèi)星星座，降低制造成本，增強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取能力。

三、結(jié)論

高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)關(guān)系到國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和大眾民生，已廣泛應(yīng)用于國(guó)防安全、能源行業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、災(zāi)害管理、海洋業(yè)務(wù)、自然資源管理、地理位置服務(wù)等領(lǐng)域。同時(shí)，高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)又有巨大的商業(yè)價(jià)值。以美國(guó)為首的西方遙感強(qiáng)國(guó)，歷來對(duì)高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系統(tǒng)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)十分重視，通過利用商業(yè)遙感衛(wèi)星效益，滿足了其軍事、外交、安全等要求，在國(guó)際商業(yè)高分辨率遙感數(shù)據(jù)市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。近年來，我國(guó)衛(wèi)星遙感事業(yè)已經(jīng)取得了舉世矚目的成就，但與國(guó)際領(lǐng)先水平相比，高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)還存在著一定差距。發(fā)展高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星是縮短我國(guó)衛(wèi)星遙感與國(guó)際領(lǐng)先水平差距、提高我國(guó)科技綜合競(jìng)爭(zhēng)力的必由之路；是實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的有效途徑；是我國(guó)高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的必要條件，既能滿足當(dāng)前快速形成能力的迫切需求，又具備一定的前瞻性，形成長(zhǎng)遠(yuǎn)持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

建議國(guó)家加大資金扶持，加強(qiáng)政策引導(dǎo)；規(guī)范產(chǎn)業(yè)管理制度，完善國(guó)家監(jiān)管體系；放寬商業(yè)圖像資源和國(guó)外出口衛(wèi)星的分辨率限制，使我國(guó)高分辨率商業(yè)遙感衛(wèi)星事業(yè)蓬勃發(fā)展。