附有物理量和氣象條件約束的光學(xué)衛(wèi)星國土觀測(cè)有效覆蓋率評(píng)估

巫兆聰，巫　遠(yuǎn)，張　熠，楊　帆

武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079

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附有物理量和氣象條件約束的光學(xué)衛(wèi)星國土觀測(cè)有效覆蓋率評(píng)估

巫兆聰，巫遠(yuǎn)，張熠，楊帆

武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079

Foundation support： The Pre-study Project of the 12th Five-year Plan for Civilian Space (No. 2013669-7)

摘要：傳統(tǒng)光學(xué)衛(wèi)星國土觀測(cè)覆蓋評(píng)估建立在衛(wèi)星對(duì)地理想覆蓋的基礎(chǔ)上，并未考慮衛(wèi)星存儲(chǔ)、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸、觀測(cè)時(shí)長等物理量及觀測(cè)區(qū)域氣象因素對(duì)于覆蓋性能的影響。本文針對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星的國土觀測(cè)需求，建立國土觀測(cè)有效覆蓋能力評(píng)估指標(biāo)體系，根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力、衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長、衛(wèi)星觀測(cè)太陽高度角等性能參數(shù)，提出了基于物理性能約束下的有效覆蓋計(jì)算方法。根據(jù)氣象臺(tái)站歷年氣象數(shù)據(jù)，提出了氣象約束因子的計(jì)算方法。綜合考慮衛(wèi)星物理性能約束與觀測(cè)區(qū)域氣象約束，計(jì)算光學(xué)遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)有效覆蓋能力。最后根據(jù)專家設(shè)計(jì)的光學(xué)遙感衛(wèi)星國土觀測(cè)有效覆蓋能力評(píng)估指標(biāo)權(quán)重，利用層次分析法(AHP)評(píng)估光學(xué)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)于國土觀測(cè)的需求滿足程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法對(duì)于國土觀測(cè)有效覆蓋的估算和評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確，更接近于國土觀測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求，為對(duì)地觀測(cè)有效覆蓋能力評(píng)估提供了一種更為精確的可行方案。

關(guān)鍵詞：國土觀測(cè)；有效覆蓋；物理量約束；氣象約束；層析分析法；有效覆蓋率評(píng)估

遙感對(duì)地觀測(cè)在國土資源調(diào)查、國土資源監(jiān)管等國土觀測(cè)領(lǐng)域都發(fā)揮了積極重大的作用。在遙感國土觀測(cè)應(yīng)用當(dāng)中，光學(xué)類衛(wèi)星是最常用的遙感衛(wèi)星。為了給國土觀測(cè)遙感任務(wù)規(guī)劃和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供支撐依據(jù)，需要針對(duì)國土觀測(cè)遙感應(yīng)用需求，建立一套光學(xué)類傳感器對(duì)地觀測(cè)能力的評(píng)估方法。而在光學(xué)遙感對(duì)地觀測(cè)能力中，有效覆蓋能力是最為重要的衡量指標(biāo)，因此基于有效覆蓋的遙感對(duì)地觀測(cè)效能評(píng)估在國土觀測(cè)應(yīng)用中具有重要的研究價(jià)值。

根據(jù)定義，有效覆蓋是指在特定觀測(cè)任務(wù)下，能夠滿足一定的時(shí)間、空間和物理?xiàng)l件的，使遙感衛(wèi)星系統(tǒng)確實(shí)能夠探測(cè)到目標(biāo)信號(hào)的衛(wèi)星對(duì)地覆蓋狀態(tài)[1]。目前，相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)于衛(wèi)星覆蓋效能評(píng)估方面已有了一定的研究。文獻(xiàn)[2]研究了特定區(qū)域的空域覆蓋性能計(jì)算與評(píng)價(jià)方法，文獻(xiàn)[3]研究了效能評(píng)估中格網(wǎng)空間尺度的選擇與確定，文獻(xiàn)[4]從衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃角度提出了多星聯(lián)合對(duì)地觀測(cè)能力評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[5]研究了基于仿真的復(fù)雜多衛(wèi)星系統(tǒng)效能分析與優(yōu)化方法。國外也有一些學(xué)者用層次分析-模糊綜合評(píng)估法(AHP-FCE)評(píng)估了天基對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)效能[6-14]，并研究了氣候因素對(duì)于環(huán)境評(píng)估的影響。這些研究均取得了一定的成果，然而，當(dāng)前學(xué)者們研究的對(duì)地觀測(cè)地面覆蓋評(píng)估大多是針對(duì)傳感器星下點(diǎn)軌跡覆蓋的理想覆蓋[15]，并未考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力、衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長、衛(wèi)星觀測(cè)太陽高度角等約束條件，亦未考慮云雨雪等氣象條件對(duì)于觀測(cè)區(qū)域地面覆蓋的影響，因而理想狀態(tài)下的傳感器地面覆蓋與實(shí)際的觀測(cè)區(qū)域有效覆蓋存在著較大的差異[16]。

本文針對(duì)光學(xué)遙感衛(wèi)星的國土觀測(cè)應(yīng)用需求，建立有效覆蓋能力指標(biāo)體系，綜合考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力、衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長、衛(wèi)星觀測(cè)太陽高度角及觀測(cè)區(qū)域的氣象條件等約束，計(jì)算光學(xué)類遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)有效覆蓋性能指標(biāo)[17,18]，并通過構(gòu)建任務(wù)需求滿足度評(píng)估層次化指標(biāo)體系，用層次分析法(analytical hierarchical process，AHP)評(píng)估國土觀測(cè)應(yīng)用需求滿足程度。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文對(duì)于國土觀測(cè)有效覆蓋的估算和評(píng)價(jià)結(jié)果更加精確，也更接近于國土觀測(cè)的實(shí)際應(yīng)用需求，該算法為對(duì)地觀測(cè)有效覆蓋性能評(píng)估提供了一種更為精確的可行方案。

1國土觀測(cè)需求分析及評(píng)估指標(biāo)定義

根據(jù)《高分二期遙感應(yīng)用部門觀測(cè)任務(wù)匯總》報(bào)告，篩選國土部門中有關(guān)光學(xué)類遙感衛(wèi)星國土觀測(cè)的需求，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，觀測(cè)譜段要求主要為可見光-近紅外譜段，其空間分辨率要求為2.5 m/10 m；時(shí)間分辨率要求為一年全國基本有效覆蓋，一年全國重點(diǎn)區(qū)域有效覆蓋兩次；覆蓋面積要求為年覆蓋面積大于3000萬km2，24 h內(nèi)覆蓋面積10萬km2。

表1　光學(xué)遙感衛(wèi)星國土觀測(cè)需求

由光學(xué)遙感衛(wèi)星國土觀測(cè)需求表中可以看出，國土觀測(cè)有效覆蓋性能可以從空間覆蓋性能、時(shí)間覆蓋性能、物理覆蓋性能3方面進(jìn)行度量。其中空間覆蓋性能描述對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的面積覆蓋情況，主要考慮以下方面：

(1) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)于觀測(cè)區(qū)域的累計(jì)有效國土覆蓋面積。針對(duì)表1需求，該指標(biāo)可設(shè)計(jì)為國土累計(jì)年有效覆蓋面積。

(2) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)于觀測(cè)區(qū)域的累計(jì)有效國土覆蓋面積百分比。針對(duì)表1需求，該指標(biāo)可設(shè)計(jì)為國土年覆蓋面積百分比。然而，由于本文的有效覆蓋計(jì)算模型加入了觀測(cè)區(qū)域氣象條件的約束，而氣象條件具有不確定性，故本文用國土年有效全覆蓋概率來替代。

(3) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)于觀測(cè)區(qū)域的覆蓋面積。針對(duì)表1需求，該指標(biāo)可設(shè)計(jì)為國土單天有效覆蓋面積。

(4) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)在一定時(shí)間段內(nèi)對(duì)于重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域二重覆蓋面積百分比。針對(duì)表1需求，該指標(biāo)可設(shè)計(jì)為重點(diǎn)區(qū)域年二重覆蓋面積百分比。然而，由于本文的覆蓋計(jì)算模型加入了觀測(cè)區(qū)域氣象條件的約束，而氣象條件具有不確定性，故對(duì)于該指標(biāo)，本文用重點(diǎn)區(qū)域年二重有效全覆蓋概率來替代。

時(shí)間覆蓋性能是為了確定光學(xué)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的時(shí)間覆蓋情況，主要從以下兩方面考慮：

(1) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)觀測(cè)區(qū)域的有效全覆蓋周期。

(2) 對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域二重有效全覆蓋周期。

物理覆蓋性能是為了確定光學(xué)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的物理覆蓋狀態(tài)，主要從以下兩方面考慮：

(1) 空間分辨率是否滿足應(yīng)用需求。

(2) 譜段范圍是否滿足應(yīng)用需求。

由此，設(shè)計(jì)國土觀測(cè)有效覆蓋能力評(píng)估指標(biāo)如表2所示。

表2　遙感國土觀測(cè)有效覆蓋性能指標(biāo)

2基于約束的有效覆蓋性能計(jì)算

對(duì)于光學(xué)遙感衛(wèi)星理想覆蓋的計(jì)算，可參見文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]。然而，光學(xué)遙感衛(wèi)星理想覆蓋性能，并未考慮衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力、衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長、衛(wèi)星太陽高度角等約束條件，亦未考慮云雨雪等氣象條件對(duì)于觀測(cè)區(qū)域地面覆蓋的影響，因而并不能真實(shí)地模擬衛(wèi)星對(duì)于地面的覆蓋狀態(tài)。本文在光學(xué)遙感衛(wèi)星理想覆蓋的基礎(chǔ)上，綜合考慮觀測(cè)光學(xué)遙感衛(wèi)星物理性能、觀測(cè)區(qū)域氣象等約束條件，計(jì)算國土觀測(cè)有效覆蓋，流程如圖1所示。

圖1　光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋性能計(jì)算流程Fig.1　Effective coverage calculation process of optical remote sensing satellite

2.1物理性能約束分析與計(jì)算

本文所研究的衛(wèi)星物理性能約束主要包括衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力、衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長、衛(wèi)星觀測(cè)太陽高度角。

太陽高度角計(jì)算公式

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

式中，δ為太陽赤緯；φ為觀測(cè)地地理緯度。

根據(jù)光學(xué)遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)過程，設(shè)計(jì)基于物理性能約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋計(jì)算方法如下：

(1) 衛(wèi)星在仿真時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行圈數(shù)為D，其在仿真時(shí)間段內(nèi)對(duì)于目標(biāo)區(qū)域每圈觀測(cè)時(shí)長t(x,y,z,w)。其中，x為衛(wèi)星數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量約束，本文中該約束指標(biāo)可設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量(G)；y為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸能力約束，本文中該約束指標(biāo)可設(shè)計(jì)為衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳速度(Mbps)；z為衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長約束，本文中該約束指標(biāo)可設(shè)計(jì)為衛(wèi)星單圈最大觀測(cè)時(shí)長(s)；w為衛(wèi)星理想覆蓋下單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間，衛(wèi)星在過境地面接收站時(shí)，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲尽Ｐl(wèi)星理想覆蓋單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間可由衛(wèi)星理想覆蓋仿真計(jì)算得出，單圈數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間也可通過仿真地面站對(duì)于衛(wèi)星的可見性和衛(wèi)星鏈路余量計(jì)算得出。

衛(wèi)星在成像的第1圈內(nèi)對(duì)于目標(biāo)區(qū)域的觀測(cè)時(shí)間t1，則t1的最大值為

t1=min(x/v×s,z,w1)

(2)

式中，v為單景影像的數(shù)據(jù)量(G)；s為單景影像成像時(shí)間(s)；w1為理想覆蓋下，第1圈時(shí)，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(2) 若t1v

t2=min[(min(x-t1v+n1m,x)/v×s,z,w2]

(3)

若t1v=x，則衛(wèi)星在第2圈觀測(cè)時(shí)間值

t2=min[(min(n1m,x)/v×s,z,w2]

(4)

式中，v為每張衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)量；s為單景影像所需成像時(shí)間；m為衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率；n1為衛(wèi)星第1圈數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長，該指標(biāo)可由地面站對(duì)于衛(wèi)星的可見性與鏈路余量仿真計(jì)算得出；w2為理想覆蓋下，第2圈時(shí)，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(3) 依此類推，若tD-1v

tD=min[(min(x-tD-1v+nD-1m,x)/v×s,z,wD]

(5)

若tD-1v=x，則衛(wèi)星在第D天觀測(cè)時(shí)間最大值

tD=min[(min(nD-1m,x)/v×s,z,wD]

(6)

式中，v為每張衛(wèi)星影像的數(shù)據(jù)量；s為單景影像所需成像時(shí)間；m為衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率；nD-1為衛(wèi)星第D-1圈數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長；wD為理想覆蓋下第D圈時(shí)，衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(4) 計(jì)算基于衛(wèi)星物理性能約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星單圈平均成像時(shí)間

(7)

(5) 計(jì)算衛(wèi)星物理性能約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星單圈平均成像時(shí)間與理想覆蓋下單圈平均成像時(shí)間的比例系數(shù)k，即為有效覆蓋物理性能約束系數(shù)。

(8)

式中，wave為理想覆蓋下單圈平均成像時(shí)間，可通過仿真計(jì)算獲得。

2.2氣象約束分析與計(jì)算

本文在計(jì)算過程中主要考慮的氣象因素為云量和雨雪。結(jié)合遙感對(duì)地觀測(cè)覆蓋模型，計(jì)算對(duì)地觀測(cè)有效覆蓋性能指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)估對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星有效覆蓋性能。

依據(jù)氣象臺(tái)站歷年留存的大量氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到對(duì)地觀測(cè)需求區(qū)域的氣象規(guī)律，運(yùn)用云、雨影響下的光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋計(jì)算方法，結(jié)合遙感對(duì)地觀測(cè)區(qū)域理想覆蓋情況，進(jìn)一步計(jì)算觀測(cè)區(qū)域氣候約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋結(jié)果。試驗(yàn)所選取的云、雨雪等氣象數(shù)據(jù)主要來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)與世界氣象組織官方網(wǎng)站，選取的降雨氣象數(shù)據(jù)是中國逐日網(wǎng)格降水量實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)集(1.0版)，該數(shù)據(jù)集的空間分辨率為1°×1°，其數(shù)據(jù)時(shí)間跨度為2008-04-01—2015-01-01。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍?，?dāng)日降雨量大于5 mm時(shí)，衛(wèi)星將無法獲取地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，即無法實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的有效覆蓋，當(dāng)日云量大于20%時(shí)，衛(wèi)星不滿足影像發(fā)布指標(biāo)，可以認(rèn)為亦無法實(shí)現(xiàn)對(duì)于地面的有效覆蓋。故若僅考慮氣象因素對(duì)于光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋的影響，設(shè)計(jì)基于氣象約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋計(jì)算方法如下：

(1) 首先將觀測(cè)區(qū)域按照氣象數(shù)據(jù)集網(wǎng)格大小的標(biāo)準(zhǔn)劃分成m個(gè)等間距的網(wǎng)格(1°×1°)，即GW-1、GW-2、…、GW-m，對(duì)于某一個(gè)區(qū)域網(wǎng)格如GW-1，根據(jù)衛(wèi)星傳感器覆蓋仿真計(jì)算結(jié)果，該網(wǎng)格區(qū)域在一年內(nèi)每個(gè)月被覆蓋的次數(shù)分別為n1、n2、…、n12次，由氣象模型信息，假定其在各年中每個(gè)月內(nèi)的降雨及云量是恒定的，則該網(wǎng)格區(qū)域在各月中每次理想覆蓋過境時(shí)能被觀測(cè)到的概率為p1、p2、…、p12,其中，p1、p2、…、p12為根據(jù)多年氣象數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)的平均概率，該格網(wǎng)在一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率為pGW-1

(9)

(2) 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域在某個(gè)月內(nèi)至少能被觀測(cè)到一次的概率

piGW-1=1-(1-pi)ni

(10)

式中，i=1,2,…,12。

同理，計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域GW-1在一年內(nèi)至少能被觀測(cè)到一次的概率。

(11)

(3) 計(jì)算觀測(cè)區(qū)域在一年內(nèi)至少能被觀測(cè)到一次的概率

(12)

(4) 計(jì)算網(wǎng)格區(qū)域GW-1在一年內(nèi)至少能被觀測(cè)到兩次的概率

(13)

(5) 對(duì)于重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域的有效覆蓋計(jì)算，可采用以下簡(jiǎn)化模型：假設(shè)重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域所包含的網(wǎng)格數(shù)為t，則一年全國重點(diǎn)區(qū)域有效覆蓋兩次的概率

(14)

(6) 計(jì)算氣象條件約束下的光學(xué)遙感衛(wèi)星平均成像概率p，即為氣象約束系數(shù)

(15)

式中，pGW-i為網(wǎng)格點(diǎn)i一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率；m為觀測(cè)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目。

2.3光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋性能指標(biāo)計(jì)算方法

根據(jù)2.1和2.2節(jié)，計(jì)算光學(xué)遙感衛(wèi)星有效覆蓋性能指標(biāo)。

(1) 國土累計(jì)年有效覆蓋面積sacf

(16)

式中，sacc為理想覆蓋累積覆蓋面積；m為觀測(cè)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；pGW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率；ti為衛(wèi)星每圈的觀測(cè)時(shí)間；wi為衛(wèi)星理想覆蓋下單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(2) 國土年有效全覆蓋概率p1GW100%

(17)

式中，p1GW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)至少能被觀測(cè)到一次的概率。

(3) 國土單天有效覆蓋面積seff

(18)

式中，s為理想覆蓋國土單天覆蓋面積；m為觀測(cè)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；pGW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率；ti為衛(wèi)星每圈內(nèi)的觀測(cè)時(shí)間；wi為衛(wèi)星理想覆蓋下單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(4) 重點(diǎn)區(qū)域年二重有效全覆蓋概率p2GW100%

(19)

式中，p2GW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)至少能被觀測(cè)到兩次的概率。

(5) 國土有效全覆蓋周期teff

(20)

式中，tper為理想覆蓋國土全覆蓋周期；m為觀測(cè)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；pGW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率；ti為衛(wèi)星每圈內(nèi)的觀測(cè)時(shí)間；wi為衛(wèi)星理想覆蓋下單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

(6) 重點(diǎn)區(qū)域二重有效全覆蓋周期t2eff

(21)

式中，t2per為二重覆蓋全覆蓋周期；m為觀測(cè)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)目；pGW-i為各格網(wǎng)點(diǎn)在一年內(nèi)每次理想覆蓋過境平均能被觀測(cè)到的概率；ti為衛(wèi)星每圈內(nèi)的觀測(cè)時(shí)間；wi為衛(wèi)星理想覆蓋下單圈對(duì)地觀測(cè)成像時(shí)間。

3基于AHP法的國土觀測(cè)有效覆蓋需求滿足度評(píng)估

本文采用層次分析法(AHP)對(duì)遙感光學(xué)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行需求滿足度評(píng)估。構(gòu)建層次化指標(biāo)體系，并利用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重。AHP法可以分為3個(gè)步驟。

3.1確定評(píng)估對(duì)象，建立指標(biāo)體系

在本文中，評(píng)估對(duì)象為面向國土觀測(cè)的光學(xué)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，指標(biāo)體系如圖2所示。

3.2綜合權(quán)重計(jì)算

假設(shè)使用上述方法求得A層指標(biāo)權(quán)重向量為

w=[w1,w2,…,wk]

式中，k為A層指標(biāo)個(gè)數(shù)；wi為指標(biāo)i在該層指標(biāo)中所占的相對(duì)權(quán)重。

圖2　國土觀測(cè)有效覆蓋性能指標(biāo)體系Fig.2　Index system of effective coverage for land observation

在本文指標(biāo)體系中，由專家設(shè)計(jì)的國土觀測(cè)有效覆蓋性能下一層性能指標(biāo)：空間覆蓋性能、時(shí)間覆蓋性能、物理覆蓋性能的指標(biāo)相對(duì)權(quán)重向量為

w=[0.6,0.3,0.1]

對(duì)于A層第k個(gè)指標(biāo)，其下一層B層指標(biāo)權(quán)重向量為

wk=[wk1,wk2,…,wkp]

式中，p為A層第k個(gè)指標(biāo)的下一層B層的指標(biāo)個(gè)數(shù)。

在本文指標(biāo)體系中，空間覆蓋性能下一層由4個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的權(quán)重向量為w1,時(shí)間覆蓋性能下一層由兩個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的權(quán)重向量為w2，物理覆蓋性能下一層由兩個(gè)指標(biāo)構(gòu)成的權(quán)重向量為w3，其中，由專家設(shè)計(jì)的指標(biāo)相對(duì)權(quán)重向量分別為

則在總的層次結(jié)構(gòu)中,指標(biāo)i的底層子指標(biāo)j的綜合權(quán)重計(jì)算算子為

wij=wijwij

最終，依據(jù)各個(gè)指標(biāo)的綜合排序情況，即可以獲取所有指標(biāo)的重要度排序結(jié)果。

3.3評(píng)估結(jié)果計(jì)算

獲取各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重后，通過與評(píng)估指標(biāo)值的乘積，最終可計(jì)算出評(píng)價(jià)得分。在參與評(píng)估的多種方案中，得分最大的即為最優(yōu)方案。計(jì)算算子為

式中，wp,i為最底層指標(biāo)i的綜合權(quán)重；vp,i為其評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。

4試驗(yàn)及分析

4.1試驗(yàn)過程

本文試驗(yàn)選取的國土觀測(cè)原始需求如表1所示，選取的光學(xué)遙感衛(wèi)星為GF-1、GF-2、ZY-3，仿真計(jì)算時(shí)間為2014-05-18 04:00(UTC)到2015-05-18 04:00(UTC)，理想覆蓋的仿真工具采用STK軟件。國土觀測(cè)區(qū)域?yàn)槿珖懙貐^(qū)域，重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域?yàn)楸本⑸虾?、廣州、深圳、武漢、重慶，衛(wèi)星接收站為北京密云、新疆喀什、海南三亞，衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)如表3所示。

(1) 首先仿真計(jì)算傳感器對(duì)地觀測(cè)理想覆蓋，計(jì)算理想覆蓋條件下，觀測(cè)區(qū)域各網(wǎng)格在每個(gè)月中分別被這3顆衛(wèi)星覆蓋的次數(shù)。仿真計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格各月理想覆蓋次數(shù)

(2) 仿真計(jì)算理想覆蓋條件下，各衛(wèi)星及三星聯(lián)合觀測(cè)的覆蓋性能指標(biāo)。仿真計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5　國土觀測(cè)理想覆蓋性能計(jì)算結(jié)果

(3) 確定衛(wèi)星物理性能約束條件與觀測(cè)區(qū)域氣象約束條件。表6為衛(wèi)星物理性能參數(shù)，表7為觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格各月滿足成像氣象條件的概率。

(4) 根據(jù)第2節(jié)所介紹的計(jì)算模型，加入物理性能約束與氣象約束，計(jì)算國土觀測(cè)有效覆蓋性能。表8為各衛(wèi)星及三星聯(lián)合觀測(cè)有效覆蓋性能指標(biāo)的仿真計(jì)算結(jié)果。

表6　衛(wèi)星物理性能參數(shù)

表7　觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格各月滿足成像氣象條件的概率

表8國土觀測(cè)有效覆蓋性能計(jì)算結(jié)果

Tab.8Calculation result of effective coverage for land observation

衛(wèi)星年有效覆蓋面積/萬km2年有效全覆蓋概率/(%)單天國土覆蓋面積/萬km2重點(diǎn)區(qū)域年二重有效全覆蓋概率/(%)有效全覆蓋周期/d重點(diǎn)區(qū)域二重全覆蓋周期/dGF-13832.597.310.588261338GF-22810.587.77.766378511ZY-3321292.48.883211322聯(lián)合觀測(cè)986299.972793130210

(5) 根據(jù)第3節(jié)所介紹的AHP法評(píng)估模型，分別評(píng)估每顆衛(wèi)星及3顆衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)對(duì)于國土觀測(cè)需求的滿足程度。針對(duì)表1所列舉的國土觀測(cè)應(yīng)用需求，GF-1的需求滿足程度評(píng)分為0.894，GF-2的需求滿足程度評(píng)分為0.882，ZY-3的需求滿足程度評(píng)分為0.890，而3顆衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)，其需求滿足程度評(píng)分為0.986。

4.2試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 表5是國土觀測(cè)理想覆蓋性能計(jì)算結(jié)果，表8是國土觀測(cè)有效覆蓋性能計(jì)算結(jié)果。根據(jù)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心的資料數(shù)據(jù)可知，GF-1、ZY-3衛(wèi)星的累計(jì)年有效覆蓋面積大約為3000～3800萬km2，GF-2衛(wèi)星的累計(jì)年有效覆蓋面積大約2500～3200萬km2，其聯(lián)合覆蓋面積為9000～10 000萬km2，與本文的計(jì)算結(jié)果大致相同，驗(yàn)證了本文算法的合理性。

(2) 采用本文模型的有效覆蓋面積約為理想覆蓋面積的18%左右。有效覆蓋周期約為理想覆蓋周期的5.55倍，可見，光學(xué)遙感衛(wèi)星物理性能因素與觀測(cè)區(qū)域氣象因素對(duì)于國土觀測(cè)覆蓋性能指標(biāo)影響較大，在實(shí)際國土觀測(cè)有效覆蓋仿真計(jì)算與評(píng)估時(shí)需重點(diǎn)考慮。

5結(jié)論

(1) GF-1、GF-2、ZY-3對(duì)于本文需求滿足程度的評(píng)估結(jié)果皆為較好，若采用三星聯(lián)合觀測(cè)，則評(píng)估結(jié)果為優(yōu)秀，由此可見，采用多星聯(lián)合觀測(cè)對(duì)于提高國土觀測(cè)有效覆蓋能力具有很好的實(shí)際效果。

(2) 本文的計(jì)算模型和評(píng)估方法可拓展到光學(xué)遙感衛(wèi)星的其他應(yīng)用領(lǐng)域，然而，不同的有效覆蓋仿真計(jì)算模型和需求滿足度評(píng)估方法對(duì)于評(píng)估的結(jié)果有一定的影響，因此，如何針對(duì)具體應(yīng)用，選擇最適合的計(jì)算模型和評(píng)估方法是各遙感應(yīng)用部門需要關(guān)心的問題。

(3) 本文所討論的國土觀測(cè)有效覆蓋率評(píng)估，其主要意義是在天基系統(tǒng)成型之前對(duì)其有效覆蓋能力作一個(gè)系統(tǒng)性的整體評(píng)價(jià)，多源遙感數(shù)據(jù)尺度繁雜，且調(diào)查目標(biāo)、調(diào)查目的、調(diào)查精度等因素變化較多，本論文無法對(duì)其進(jìn)行一一覆蓋，故并沒有特意展開篇幅討論這些因素，另外，衛(wèi)星變軌這樣不確定性很大的技術(shù)操作亦不在本文討論之列。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

修回日期： 2016-03-09

First author： WU Zhaocong (1968—), male, professor, majors in satellite simulation and effectiveness evaluation.

E-mail： zcwoo@whu.edu.cn

中圖分類號(hào)：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)07-0841-09

基金項(xiàng)目：民用航天“十二五”預(yù)先研究(2013669-7)

收稿日期：2015-07-17

第一作者簡(jiǎn)介：巫兆聰(1968—)，男，教授，研究方向?yàn)樾l(wèi)星仿真與效能評(píng)估。

Land Observation Evaluation of Effective Coverage for Optical Satellites Based on Physical and Meteorological Condition

WU Zhaocong，WU Yuan，ZHANG Yi，YANG Fan

School of Remote Sensing and Information Engineering, Wuhan University, Wuhan 430079, China

Abstract：The coverage evaluation of traditional land observation for optical satellite is based on ideal coverage of satellite, which has no consideration of the influence of physical condition, such as satellite storage, satellite data transmission and observation time. It also has no consideration of the influence of meteorological condition in observation area. According to land observation requirements of remote sensing, an index evaluation system of effective coverage ability for remote sensing on land observation is build up. According to data storage capacity, data transmission capacity between satellite and ground, longest observation time in one loop, solar elevation angle of satellite observation and so on, an effective coverage calculation method is proposed based on physical capacity constraint for optical remote sensing satellite. On the basis of the climate data of meteorological station over the years, an effective coverage calculation method based on climate constraint is raised for optical remote sensing satellite. Synthesizing satellite physical capacity constraint and climate constraint, effective coverage capacity of earth observation for optical remote sensing satellite is calculated. Meanwhile, based on index evaluation weight of effective coverage capacity for land observation by experts, analytical hierarchical process (AHP) is used to evaluate requirement satisfactory degree for land observation. The experimental result shows that the proposed algorithm is more accurate in estimation and evaluation for effective coverage on land observation, which is able to provide a more precise solution for effective coverage capacity evaluation on earth observation.

Key words：land observation；effective coverage；physical constraints；climate constraints；analytic hierarchy process(AHP)；effective coverage capacity evaluation

引文格式：巫兆聰，巫遠(yuǎn)，張熠，等.附有物理量和氣象條件約束的光學(xué)衛(wèi)星國土觀測(cè)有效覆蓋率評(píng)估[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(7)：841-849. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150381.

WU Zhaocong，WU Yuan，ZHANG Yi，et al.Land Observation Evaluation of Effective Coverage for Optical Satellites Based on Physical and Meteorological Condition[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2016,45(7):841-849. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150381.